PN结物理特性综合实验(精)

1、成都信息工程学院成都信息工程学院 物理实验报告物理实验报告 姓名：蔡青专业：班级：学号： 实验日期：2007-9-1 下午实验教室：5102-1 指导教师： 实验名称】实验名称】PN 结物理特性综合实验 实验目的】实验目的】 1. 在室温时，测量 PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律 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 【实验仪器】【实验仪器】 半导体 PN 结的物理特性实验仪资产编号：XXXX，

2、型号：XXX 【实验原理】【实验原理】 1.1. PNPN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足： I二 I。exp(exp(eU/ /kT) )-11(1) 当exp(eU/kT)1时，(1)式括号内-1 项完全可以忽略，于是有： I二 I。exp(exp(eU/ /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，把电子电量e作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。实验线路如图 1 所示。(5) LF356 是一个高输入阻抗集

3、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。 U 二一 KU 00i 式（3）中U为输入电压，K为运算放大器的开环电压增益，即图 2 中电阻R RfTa时的电压增益（Rf 称反馈电阻）。因而有： 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Zx为 Ui I ”I s 由式和式可得电流-电压变换器输入电流Is与输出电压U之间的关系式，即: (3) UU0 i0 Rf W+K) Rf (4) R Rf 1+K K0 0 s (6) sZRf rf 只要测得输出电压U和已知Rf值，即可求得Is值。 3 3、PNPN 结的结电压结的结电压U U与热力学温度与热力学温度T关系测

4、量。关系测量。 be 当 PN 结通过恒定小电流（通常I=100100卩A），由半导体理论可得U与T的近似关系:be U=STST+U bego 式中S=-2.32.3mV/ /oC为 PN 结温度传感器灵敏度。由U可求出温度 0K时半导体材料的近似禁带宽go 度E=qU。硅材料的E约为 1.20eV。 gogogo 实验内容】实验内容】 （一）I-U关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（U=U） cbebe1 1、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压U和相应电压U。U的值约从0.30V至0.50V 121 范围，每隔0.01V测一相应电压U的数据，至U达到饱和（U变化较小或基本不

5、变）。在记录数据开始 222 和结束时都要记录下变压器油的温度0，取温度平均值（-。 2、改变干井恒温器温度，待 PN 结与油温一致时，重复测量U和U的关系数据，并与室温测得的结 12 果进行比较。 3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数U=aexp（bU）。求出相应的a 21 和b值。 4、玻尔兹曼常数k。利用b=e/kT，把电子电量e作为已知值代入，求出k并与玻尔兹曼常数公认 (7) 值（k二 1.3811.381x1010-23）进行比较。 0 （二）U-T关系测定，计算硅材料 0K时近似禁带宽度E值。 bego 1、通过调节图 3 电路中电源电压，使上电阻两端电压

6、保持不变，即电流 I二 100100卩A。同时用电桥测量 铂电阻R的电阻值，得恒温器的实际温度。从室温开始每隔 5C10C 测一组U值，记录。 Tbe 2、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U和U各对数据，以U为自变量，U作因变量，分别代入：（1）线性函数U=aU+b；（2）乘 121221 幕函数U=aUb；（3）指数函数U=a-expexp（bU），求出各函数相应的a和b值，得出三种函数式，究 2121 竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来

7、检验。办法是：把实验测得的各个自变量U分别代入三个基 1 本函数，得到相应因变量的预期值U*,并由此求出各函数拟合的标准差： 2 = 用最小二乘法对U-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 be 禁带宽度E。 go 【注意事项】【注意事项】 1. 数据处理时，对于扩散电流太小（起始状态）以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）。 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U 1 和U数据。 2 3. 本实验，TIP31 型三极管温度可采用的范围为 0-

8、50C。 4. 仪器具有短路自动保护，一般情况集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。 【数据记录】【数据记录】 i=- i=- 1、I IU U 关系测定。室温条件下：0=25.90C,0=26.10C,0=26.00C cbe12 i=- i=- U( (V) ) 1 0.310 0.320 0.330 0.340 0.350 0.360 0.370 U( (V) ) 2 0.073 0.104 0.160 0.230 0.337 0.499 0.733 U( (V) ) 1 0.380 0.390 0.400 0.410 0.420 0.430 0.440 U( (V) ) 2 1

9、.094 1.575 2.348 3.495 5.151 7.528 11.325 2、电流 I=100uA时，U-T关系测定。be R/Q T 9/ /0C T/K U/ /Vbe 103.2 8.0 281.2 0.644 106.0 14.9 288.1 0.647 107.0 17.7 290.9 0.631 109.9 25.0 298.2 0.615 111.5 29.0 302.2 0.605 115.3 38.7 311.9 0.584 119.3 49.0 322.2 0.563 122.9 58.7 331.9 0.553 123.5 60.0 333.2 0.531 12

10、6.3 67.0 340.2 0.519 129.3 74.9 348.1 0.501 131.9 81.2 354.2 0.495 数据处理】数据处理】1、曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数： 根据要求用最小二乘法处理数据，所以先要对公式1=1oexp（eU/ /kT）进行线性化，首先以U代替1 为自变量，U为因变量，公式变化为U=1oexp（eu，/kT） 列表计算：（双击该表可见计算过程）两边取对数： lnlnU=lnlnI+eU/ /kT 20 令： lnlnU2=y, , U=x,ln,lnI=a, ,e/ /kTkT=b b 10 上式变化为： y二a+bx 根据最小二乘法的计算

11、公式： xy-x-y X2一(x)2 讥 x2 2-x2)(y2 2-y2 2) x=-工 n x, , i x2=工 x2 2, ,nii=- y=-为, i=- xy=- -工xy n n U 2 x y x-y x2 y2 1 0.31 0.073 0.31 -2.6173 -0.81130.0961 6.850232 0.32 0.104 0.32 -2.2633-0.72420.1024 5.122813 0.33 0.16 0.33 -1.8325-0.60470.1089 3.358354 0.34 0.23 0.34 -1.4696-0.49960.1156 2.159945

12、0.35 0.337 0.35 -1.0876-0.38060.1225 1.183036 0.36 0.499 0.36 -0.6951-0.25020.1296 0.483237 0.37 0.733 0.37 -0.3106-0.11490.1369 0.096478 0.38 1.094 0.38 0.089840.034130.1444 0.008079 0.39 1.575 0.39 0.454250.17710.1521 0.2063410 0.4 2.348 0.4 0.853560.341420.16 0.7285711 0.41 3.495 0.41 1.251330.51

13、3040.1681 1.5658312 0.42 5.151 0.42 1.639190.68840.1764 2.6869413 0.43 7.528 0.43 2.018620.868010.1849 4.0748614 0.44 11.325 0.44 2.427011.067880.1936 5.89039平均值平均值 0.3750.375 - -0.11010.11018 80.021720.021727 70.14220.14225 52.458222.458223 3b= 38.7968 a= -14.659 r= 0.99997由此可知，指数回归拟和的最好，也就说明 PN 结扩

14、散电流-电压关系遵循指数分布规律。计算玻尔兹 曼常数，由表中数据得 e/ /k二 bT 二 38.7938.79x(273.15(273.15+26.00)26.00)二 1.1601.160 x10104CKCK/J J 了e1.6021.602x1010-19 k= 测e/ /k1.1601.160 x10104 2、求 PN 结温度传感器的灵敏度 S,计算 0K时硅材料禁带宽度E。用作图法对U-T数据进行直线gobe 拟合得：斜率，即传感器灵敏度s=-2.30mV/K；截距U=1.301.30V(0K温度)；相关系数r=0.995，go E=eU=1.301.30电子伏特。 go 【实验结果】【实验结果】 1、测量值k=1.381.38x1010-23J J/ /K与公认值k=1.3811.381x1010-23J/ /K相当一致。 测 0 k=1.38x10-23J/K 实验结果：测 k-kA=jxl00%=0.08% k 0 2、硅在 0K温度时禁带宽度公认值E=1.2051.205电子伏特，上述结果半定量地反映了此结果。由于 PN go 结