实验十 PN结物理特性测定.doc

实验十一 PN结物理特性测定一、概述半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。本仪器用物理实验方法，测量PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。本仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN结结电压与热力学温度T的关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K时硅材料的禁带宽度。2、 仪器简介 图1 PN结物理特性测定仪实验装置FD-PN-4型PN结物理特性测定仪主要由直流电源、数字电压表、实验板以及干井测温控温装置组成，如图1所示。三、技术指标1直流电源:15V直流电源一组， 1.5V直流电源一组2数字电压表:三位半数字电压表量程02V ,四位半数字电压表量程 020V 3实验板: 由运算放大器LF356、印刷引线、接线柱、多圈电位器组成。TIP31型三极管外接。4恒温装置:干井式铜质可调节恒温,恒温控制器控温范围，室温至80；控温分辨率0.1；5测温装置:铂电阻及电阻组成直流电桥测温0（）。四、实验项目1测量PN结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。2较精确地测量玻尔兹曼常数。(误差一般小于2%)3测量PN结结电压与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。4近似求得0K时半导体（硅）材料的禁带宽度。5学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法。五、注意事项1实验时接12V或15V，但不可接大于15V电源。15V电源只供运算放大器使用，请勿作其它用途。2运算放大器7脚和4脚分别接+15V和-15V，不能反接，地线必须与电源0V(地)相接(接触要良好)。否则有可能损坏运算放大器，并引起电源短路。一旦发现电源短路(电压明显下降),请立即切断电源。3要换运算放大器必须在切断电源条件下进行，并注意管脚不要插错。元件标志点必须对准插座标志槽口。4必须经教师检查线路接线正确，学生才能开启电源，实验结束应先关电源，才能拆除接线。实验十 半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验【实验目的】1在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合指数分布规律。2在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数。3学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流。4测量PN结电压与温度的关系，求出该PN结温度传感器的灵敏度。5计算在0K温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度。【实验原理】1 PN结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN结的正向电流-电压关系满足： (1)式中是通过PN结的正向电流，是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，是热力学温度，q是电子的电荷量，为PN结正向压降。由于在常温(300K)时，0.026v ，而PN结正向压降约为十分之几伏，则1，(1)式括号内1项完全可以忽略，于是有： (2)也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN结I-U关系值，则利用(1)式可以求出。在测得温度后，就可以得到常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数。在实际测量中，二极管的正向I-U关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流，还有其它电流。一般它包括三个部分：1）扩散电流，它严格遵循(2)式；2）耗尽层符合电流，它正比于；3)表面电流，它是由硅和二氧化硅界面中杂质引起的，其值正比于，一般2。因此，为了验证(2)式及求出准确的/常数，不宜采用硅二极管，而采用硅三极管接成共基极线路(只能放大电压，不能放大电流），因为此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管(TIP31型),实验中又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全可以忽略，所以此时集电极电流与结电压将满足(2)式。2弱电流测量过去实验中A-A量级弱电流采用光点反射式检流计测量，该仪器灵敏度较高约A/分度，但有许多不足之处，如十分怕震，挂丝易断；使用时稍有不慎，光标易偏出满度，瞬间过载引起引丝疲劳变形产生不回零点及指示差变大。使用和维修极不方便。近年来，集成电路与数字化显示技术越来越普及。高输入阻抗运算放大器性能优良，价格低廉，用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号，具有输入阻抗低，电流灵敏度高。温漂小、线性好、设计制作简单、结构牢靠等优点，因而被广泛应用于物理测量中。图 电流电压变换器 LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。其中虚线框内电阻为电流-电压变换器等效输入阻抗。由图2，运算放大器的输入电压为： (3)式(3)中为输入电压，为运算放大器的开环电压增益，即图4中电阻时的电压增益，称反馈电阻。因为理想运算放大器的输入阻抗，所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有： (4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗为 (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流输出电压之间得关系式，即： (6)由(6)式只要测得输出电压和已知值，即可求得值。以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论和值的大小。对LF356运放的开环增益，输入阻抗。若取为1.00，则由(5)式可得： 若选用四位半量程200mV数字电压表，它最后一位变化为0.01mV ，那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为：由此说明，用集成运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流，具有输入阻抗小、灵敏度高的优点。3.PN结的结电压与热力学温度T关系测量。当PN结通过恒定小电流（通常电流），由半导体理论可得与T近似关系： （5）式中S2.3为PN结温度传感器灵敏度。由可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度。硅材料的约为1.20eV。【实验仪器】1. 直流电源、数字电压表、温控仪组合装置（包括15V直流电源、01.5V及3.0V直流电源、三位半数字电压表、四位半数字电压表、温控仪）。2. TIP31型三极管（带三根引线）1个,3DG三极管1个。3. 干井铜质恒温器（含加热器）及小电风扇各1个。4. 配件：LF356运放各2块，TIP31型三极管1只，引线9根；用户自配：ZX21型电阻箱1只。【实验过程】l 实验接线必须是在断电情况下进行1）PN结伏安特性测量 关系测定，并进行曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。（）图1 PN结扩散电源与结电压关系测量线路图 1)实验线路如图1所示。图中为三位半数字电压表，为四位半数字电压表，TIP31型为带散热板的功率三极管，调节电压的分压器为多圈电位器，为保持PN结与周围环境一致，把TIP31型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中,变压器油温度用铂电阻进行测量。 2)在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压和运放输出电压。在常温下的值约从0.3V至0.42V范围每隔0.01V测一点数据，约测14个数据点，至值达到饱和时(值变化较小或基本不变),结束测量。在记数据开始和记数据结束都要同时记录变压器油的温度（室温），取温度平均值。 3)改变干井恒温器温度，待PN结与油温湿度一致时，重复测量和的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。 4)曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数(它们是物理学中最常用的基本函数),然后求出衡量各回归程序好坏的标准差。对已测得的和各对数据，以为自变量，作因变量，分别代入：(1)线性函数；(2)乘幂函数；（3）指数函数。求出各函数相应的和值，得出三种函数式，究竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验。方法是：把实验测得的各个自变量U1分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值,并由此求出各函数拟合的标准差： =式中为测量数据个数，为实验测得的因变量，为将自变量代入基本函数的因变量预期值，最后比较哪一种基本函数为标准差最小，说明该函数拟合得最好。5)计算常数，将电子的电量作为标准差代入，求出玻尔兹曼常数并与公认值进行比较。【实验数据处理】（注：实验条件影响，以下数据仅供参考）1.关系测定，曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。室温条件下: =25.90， =26.10，=26.00表1 原始数据记录U1/V0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U2/V0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733U1/V0.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440U2/V1.0941.5752.3483.4955.1517.52811.325以为自变量，为因变量，分别进行线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合，结果见表2（1) 线性函数；（2) 乘幂函数；（3) 指数函数表2 拟合数据计算（可在matlab、excel下计算并打印）线性回归U2=a U1+b乘幂回归U2=a U1b指数回归U2=exp(b U1)nU1/VU2/VU2*/V(U2-U2*)2/V2U2*/V(U2-U2*)2/V 2U2*/V(U2-U2*)2/V 210.3100.073-1.9444.070.0828.110-50.0721.010-620.3200.104-1.2641.870.1141.010-40.1064.010-630.3300.160-0.5840.550.16000.1561610-640.3400.2300.0960.020.2279.010-60.230050.3500.3370.7750.190.3251.4410-40.3394.010-660.3600.4991.4550.910.4689.6110-30.5001.010-670.3700.7332.1351.970.6802.8110-30.7382510-680.3801.0942.8152.960.9999.0210-31.0874910-690.3901.5753.4953.691.4838.4610-31.6037.8410-4100.4002.3484.1753.342.2251.5110-22.3621.9610-4110.4103.4954.8551.853.3791.3410-23.4821.6910-4120.4205.1515.5350.155.1962.0210-25.1333.2410-4130.4307.5286.2151.728.0970.327.5661.4410-3140.44011.3256.89419.6312.7952.1611.1520.0291.80.420.048r0.84270.99860.9999a、ba=67.99,b=-23.02a=1.5610,b=10.37a=4.4710,b=38.79由表2可知，指数回归拟和的最好，也就说明PN结扩散电流-电压关系遵循指数分布规律。以下计算玻尔兹曼常数：由表2数据得 =38.79(273.15+26.00)=1.160则 =此结果与公认值相当一致。l 实验接线必须是在断电情况下进行2）PN结温度特性测量关系测定，求PN结温度传感器灵敏度S，计算硅材料0K时近似禁带宽度值。图3 图41)实验线路如图3所示，测温电路如图4所示。其中数字电压表通过红色按钮开关，既作测温电桥指零用，又作监测PN结电流，实验中保持电流。R值 取10K，RT为铂电阻PT100型（0度是阻值100欧，见附表），R4为zx21电阻箱，R1和R2为100欧电阻，在实验面板上已焊好。2)将红色按钮开关拨向“标准”，调节仪器右边3V端分压旋钮，使得中间电压V2表输出1V电压，即。3） 按钮切换至“测温”，调节R4（可从100欧开始）使得中间电压表读数为零，电桥平衡，此时电阻箱读数即为测量的铂电阻的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，可得恒温器的实际温度。从室温开始每隔510测一点值（即左边电压表读数）与温度（）关系，求得关系。（测14点数据）4）用最小二乘法对关系进行直线拟合，求出PN结测温灵敏度S及近似求得温度为0K时硅材料禁带宽度。电流时，关系测定，求PN结温度传感器的灵敏度，计算0K时硅材料的近似禁带宽度。表3 关系测定（温度及材料差异，数据仅供参考）103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.9123.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.067.074.981.2281.2288.1290.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.6440.6470.6310.6150.6050.5840.5630.5530.5310.5190.5010.495在计算机对数据进行直线拟合得到：斜率，即传感器灵敏度；截距=1.30（0K温度）；相关系数0.995；=1.30硅在0K温度时禁带宽度公认值1.205电子伏特，上述结果半定量地反映了此结果。由于PN结温度传感器的线性范围为50150，在低温时，非线性项将不可完全忽略，所以本实验测得=1.30 V是合理的附表 PT100铂电阻的温度和阻值对应关系温度0123456789（）电阻值（）3088.0487.6487.2486.8486.4486.0485.6385.2384.8384.432092.0491.6491.2490.8490.4490.0489.6489.2488.8488.441098.0395.6395.2394.8394.4394.0393.6393.2492.8492.440100.0099.6099.2198.8198.4198.0197.6297.2296.8296.420100.00100.40100.79101.19101.59101.98102.38102.78103.17103.5710103.96104.36104.75105.15105.54105.94106.33106.73107.12107.5220107.91108.31108.70109.10109.49109.88110.28110.67111.07111.4630111.85112.25112.641