FD-PN-4PN结物理特性综合实验仪说明书解读

1、FD-PN-4PN结物理特性综合实验仪（扩散电流I C与结电压Ueb关系，结电压U eb与温度T关系）上海复旦天欣科教仪器有限公司中国 上海FD PN4 型 PN 结物理特性综合实验仪 （PN 结的伏安特性与温度特性测量仪）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Ube与热力学温度T关系，求得 该传感器的灵敏度，并近

2、似求得 0K 时硅材料的禁带宽度。本仪器提供 实验物理内容丰富、概念清晰、测量结果准确度高。本仪器主要供大专 院校普通物理实验教学用。仪器稳定可靠，结构设计合理，很适用于教 学用。二、用途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、学习用运算放大器组成电流电压变换器测量 10-6A 至 10-8A 的弱 电流。4、测量PN结结电压Ube与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。5、近似求得 0K 时半导体（硅）材料的禁带宽度。6、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三、仪器组成及技术

3、特性本仪器由四部分组成：1、直流电源±5V 直流电源一组，即+15V 0V（地）一-15V;1.5V直流电源一组2、数字电压表三位半数字电压表02V一只；四位半数字电压表020V 一只；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 C;控温精度0.01C;5、测温装置铂电阻及电阻组成直流电桥测温 0C（ R。-100.001 ）。四、保养和维护1、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。

4、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，并注意脚不要插错。 元件标志点必须对准插座标志槽口。4、请勿随便使用其它型号三极管做实验。 例 TIP31 三极管为 NPN 管， 而 TIP32 型三极管为 PNP 管，所加电压极性不相同。5、陶瓷介质铂电阻请勿让学生随便取出， 以免损坏陶瓷介质及拉断引 线。6、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。五、

5、仪器4°C上升 下降 确定 复位+ -L1.5VV1+V1-+15V-15VU CJV2+V2-OVBE调调节:屮E 口V1实验B> B ： +1.5V -1.5VV1+V1- +15V 地-15VV2+ V2- +3V-3VFD-PN-4加热指示o o Brt* ±ui 口6G_U3 on°PN结物理特性测定仪V1实验A标准RT100-o- ahzj-V2实验A电阻箱O o 0100检测7865FD-PN-4PN结物理特性测定仪k上海复旦天欣科教仪器有限公司OCOOOOOOOOO o+-V1+V1- +15V-15V V2+ V2-+-电压调节1.5V3V

6、六、仪器及附件1、直流电源、数字电压表、温控仪组合装置（包括士 15V直流电源、 0 1.5V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运算放大器各2块，TIP31型三极管1只，弓I线9 根；用户自配：ZX21型电阻箱1只。5半导体 PN 结的物理特性及弱电流测量实验介绍（本实验讲义由复旦大学物理实验教学中心提供）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

7、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。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：I=I0exp(e U/ kT )-1(1)式(1)中 I 是通过 PN 结的正向电流， I0 是反向饱和电流，在温度恒定 是为常数，T是热力学温度，e是电子的电荷量，U为PN结正向压降。 由于在常温(300K)时，kT/eP.026V，而PN结正向压降约为十分之几 伏，则 exp ( e U/ kT )>>1,

8、(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：I=I0exp( e U/ kT )(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e/kT。在测得温度T后，就可以得到e/k常数, 把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数 k。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k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 式；2 耗尽层符合电流，它正比于exp(eU/2kT)；3表面电流，它是由Si和SiO2 界面中杂质引起的，其值正比于

9、exp(eU/mkT),一般m>2。因此，为了验 证(2)式及求出准确的e/k常数，不宜采用硅二极管，而采用硅三极管接 成共基极线路，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。实验线路如图3所示。1.5VJoLTIP31LF35612 3 4bee图3 PN结扩散电源与结电压关系测量线路图2、弱电流测量过去实验中10-6A-10-11A量级弱电流采用光点反射式检流计测

10、量， 该仪器灵敏度较高约10-9A/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。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4所示。其中虚线框内电阻 乙为电流-电压变换器 等效输入阻抗。由图4可，运算放大器的输入

11、电压 Uo为：Uo=-KoUi式(3)中Ui为输入电压，Ko为运算放大器的开环电压增益，即图4中电阻R :时的电压增益，Rf称反馈电阻。因为理想运算放大器的输入阻 抗ri > ：,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有：ls=(Ui-Uo)/Rf二Ui(l+Ko)/Rf(4)由(4)式可得电流-电压变换器等效输入阻抗 Zr为Zr= Ui/Is= Rf/(1 + K。) Rf/K0(5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流Is输出电压U0之间得关系 式，即：(6)Is=- K? (1 + Ko)/Rf=-Uo(1 + 1/Ko)/Rf=- Uo/Rf由(6)式只要测

12、得输出电压Uo和已知Rf值，即可求得Is值。以高输入阻 抗集成运算放大器LF356为例来讨论 乙和Is值得大小。对LF356运放 的开环增益Ko=2 xio5,输入阻抗n胡o12 Q。若取Rf为1.ooM Q,则由(5) 式可得：Zr =1.oo xo6 0(1+2 xo5)=5 Q若选用四位半量程200mV数字电压表，它最后一位变化为 0.01 mV , 那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为：(Is) min=0.01 X0-3V/(1 xo6 Q)=1 X0-11A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Ube与

13、热力学温度T关系测量。当PN结通过恒定小电流(通常电流I = 1000 A)，由半导体理论 可得Ube与T近似关系：Ube 二 ST Ugo( 5 )式中S-2.3mV/°C为PN结温度传感器灵敏度。由Ugo可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度Ego = qUgo。硅材料的Ego约为1.20eV。实验内容：(一) lc -Ube关系测定，并进行曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。(Ube =5)1、实验线路如图3所示。图中U1为三位半数字电压表，U2为四位半数 11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TI

14、P31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Ui和相应电压U2。在常温下Ui的值约从0.3V至0.42V范围每隔0.01V测一点数据， 约测10多数据点，至U2值达到饱和时(U2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二，取温度平均值亍。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 Ui和 U2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、乘幕回归这三种常用的基本函数(它们是物理学中

15、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3。对已测得的 Ui 和U2各对数据，以Ui为自变量，U2作因变量，分别代入：(1)线性函数U2=aUi+b ; (2)乘幕函数 U2=aUib; ( 3 )指数函数6二aexp(bUi)。求出各函数相应的a和b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。办法是：把实验测得的各 个自变量Ui分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值 U2*,并由 此求出各函数拟合的标准差：:n3= . p (Ui -Ui )2 / n-i=i式中n为测量数据个数，Ui为实验测得的因变量，Ui*为将自变量代入基 ii本函数的因变量

16、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e/k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。（二） Ube-T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Ego值。图51、 实验线路如图5所示，测温电路如图6所示。其中数字电压表 V2 通过双刀双向开关，既作测温电桥指零用，又作监测PN结电流， 保持电流1= 100叭用。2、通过调节图5电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电 流1= 100叭。同时用电桥测量铂电阻Rt的电阻值，通过查铂电阻值 与温度关系表，可得恒温器的实际湿度。从室温开始每隔5C 10C

17、 测一定Ube值（即Vi）与温度，（C）关系，求得Ube-T关系。（至少 测6点以上数据）3、用最小二乘法对Ube -T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Ego。注意事项：1、数据处理时，对于扩散电流太小（起始状态）及扩散电流接近或达到 饱和时的数据，在处理数据时应删去，因为这些数据可能偏离公式 。2、 必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31三极管温度处于恒定 时（即处于热平衡时）,才能记录Ui和U2数据。3、 用本装置做实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为 0-50 C。 若要在-120 C -0 C温度范围内做实验，必须有低温恒温装置。4

18、、由于各公司的运算放大器（LF356）性能有些差异，在换用LF356时, 有可能同台仪器达到饱和电压 U 2值不相同。5、 本仪器电源具有短路自动保护，运算放大器若15V接反或地线漏 接，本仪器也有保护装置，一般情况集成电路不易损坏。请勿将二 极管保护装置拆除。实验数据例：1、Ic-Ube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 C,匕=26.10 C,亍=26.00 °C表1U1/V0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U2/V0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733U1/V0.380

19、0.3900.4000.4100.4200.4300.440U2/V1.0941.5752.3483.4955.1517.52811.325以Ul为自变量，U2为因变量，分别进行线性函数、乘幕函数和指数函数的拟合，结果见表2:线性回归2=aU1+b乘幕回归J2=aU1b指数回归J2=exp(b U1)nU1/VU2/VU2*/V(U2-U2*)2/V2U2*/V(U2-U2*)2/V 2U2*/V(U2-U2*)2/V 210.3100.073-1.9444.070.0828.1XO50.0721.0X0620.3200.104-1.2641.870.1141.0X040.1064.0X063

20、0.3300.160-0.5840.550.16000.15616XIO640.3400.2300.0960.020.2279.0X060.230050.3500.3370.7750.190.3251.44X1L0.3394.0XI0660.3600.4991.4550.910.4689.61X1O30.5001.0X0670.3700.7332.1351.970.6802.81X1O30.73825XIO680.3801.0942.8152.960.9999.02X1031.08749XIO690.3901.5753.4953.691.4838.46X1O31.6037.84X1O4100.

21、4002.3484.1753.342.2251.51X1O22.3621.96X1O4110.4103.4954.8551.853.3791.34X1O23.4821.69X1O4120.4205.1515.5350.155.1962.02X025.1333.24X0410.4307.5286.2151.728.0970.327.5661.44X03310.44011.3256.89419.6312.7952.1611.1520.02941.80.420.048r0.84270.99860.9999a、ba=67.99,b=-23.02a=1.5X10,b=10.37a=4.47X0,b=38

22、.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。计算玻尔兹曼常数由表2数据得e/k=bT =38.79 ><273.15+26.00)=1.160 X104ck/j则k = £= 1.602 “°： =1.38 X10"23 j/ke/ k 1.160 104此结果与公认值k=1.381 X10-23 j/k相当一致。2、电流I= 100uA时，Ube-T关系测定，求PN结温度传感器的灵敏度 S，计算0K进硅材料的近似禁带宽度Ego。表3UbeT关系测定15Rt/Qe/0c103.28.0106.014.9107.017.7109.925.0111.529.0115.338.7119.349.0122.958.7123.560.0126.367.0129.374.9131.981.2t/kUbe /V281.20.644288.10.647290.90.631298.20.615302.20.605311.90.584322.20.563331.90.553333.2