半导体PN结实验论文-大物实验

半导体PN结的物理特性及弱电流测量摘要：PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。PN结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。PN结温度传感器优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。PN结传感器的主要应用领域是工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。关键词：PN结；电信号；检测与控制。Abstract:PNjunctionisthecorecomponentsofbipolartransistorandfieldeffecttransistorandthebasisofModernelectronictechnology.PNjunctionwithunidirectionalconductivityisthecharacteristicsofmanydevicesintheelectronictechnology.Forexample,thematerialbaseofasemiconductordiodeandabipolartransistor.Accordingtothematerials,dopingdistribution,PNjunctiongeometryandbiasconditions,usingthebasicpropertiescanproducethecrystaldiodewithavarietyoffunctions.PNjunctiontemperaturesensorhastheadvantagesofhighsensitivity,fastresponsespeed,smallvolume,lightweight,easyintegration,intelligentdetection,canmaketheconversionofintegration.ThemainapplicationfieldofPNjunctionsensorisindustrialautomation,remotesensing,industrialrobots,householdappliances,environmentalmonitoring,medicalcare,medicalandbiologicalengineering.Keywords:PNjunction;signal;detectionandcontrol.1前言随着信息时代的影响越来越深入，各种控制电路已经融入了人们的生活。各种各样的半导体在控制电路中扮演着重要的角色。PN结有反向击穿性，单向导电性，电容特性等重要的性质。2半导体PN结原理2・1PN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二ILxp(eU/kT)-1]⑴0式中1是通过PN结的正向电流，10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/e~0.026v，而PN结正向压降约为十分之几伏，则eXp(eU/kT)〉〉1,⑴式括号内一1项完全可以忽略，于是有：I二Iexp(eU/kT)心、0(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⑴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(2)式；耗尽层符合电流，它正比于exp(eU/2kT)；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1所示。2eb312T卜bce2eb312T卜bce□100Q1.5Vz^图1PN结扩散电源与结电压关系测量线路图2.2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。巴：-图2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Zr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0为：U=-KU00i(3)式⑶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RTaRf时的电压增益，f称反馈电阻。rTa因为理想运算放大器的输入阻抗i，所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有：I二(U—U)/R=U(1+K)/RSi0ri0f(4)由(4)式可得电流-电压变换器等效输Z入阻抗Zr为Z=U/1=R/(1+K)沁R/K(5)risf0f0由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流，z输出电压Uo之间得关系式,即：I=-U(1+K)/RsK0f=-U(1+1/K)/R(6)00f=-U/R0f由(6)式只要测得输出电压U0和已知

RIf值，即可求得S值。以高输入阻抗集成ZI运算放大器LF356为例来讨论r和s值的大小。对LF356运放的开环增益K二2x1050丄人、疗口丄亠r—10120K二2x1050输入阻抗i。若取Rf为1.00M0，贝y由（5）式可得:Z二1.00x1060/（I+2x105）二50r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：（I）二0.01x10-3V/（1x106）二1x10-11Asmin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。2.3PN结的结电压Ube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1=1000卩A）,由半导体理论可得"be与T近似关系：U=ST+Ubego（5）式中S~—2.3mV/oC为PN结温度传感器灵敏度。由"go可求出温度OK时半导体材料的近似禁带宽度Ego=qUgo。硅材E料的go约为1.2OeV。3实验方案I-U关系测定，并进行曲线拟合求cbe经验公式，计算玻尔兹曼常数（U二U）be11）实验线路如图1所示。图中U1为三位半数字电压表，U2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U1和相应电压U2。在常温下U1的值约从0.31V至0.531V范围每隔0.01V测一点数据，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0，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U1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5。对已测得的U1和U2各对数据，以U1为自变量，U2作因变量，分别代入：（1）线性函数U2=aU1+b；⑵乘幕函数U2二aU1b；（3）指数函数U2=a旳（bU1）。求出各函数相应的"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

2）通过调节图3电路中电源电压，使上电来检验。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U*的预期值U2，并由此求出各函数拟合的标准差

阻两端电压保持不变，即电流I=100V。同时用电桥测量铂电阻R的电阻值，通过T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5。C—10。C测一点U值（即V）与温度9（。C）关系，be1式中N为测量数据个数，Ui为实验测

求得U-T关系。（至少测6点以上数据）beU*得的因变量，Ui为将自变量代入基本函数

3）用最小二乘法对U-T关系进行直线be的因变量预期值，最后比较哪一种基本函数

拟合，求出PN结测温灵敏度S及近似求得为标准差最小，说明该函数拟合得最好。

温度为°K时硅材料禁带宽度%5）计算elK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

4实验结果及误差分析4.1测定玻尔兹曼常数可从之前公式推得较。1）实验线路如图3所示，测温电路如图41）实验线路如图3所示，测温电路如图4go值。kTbTU-TUBeT关系测定，求PN结温度传感器灵敏度S,计算硅材料0K时近似禁带宽度所示。其中数字电压表V通过双刀双向开2关，既作测温电桥指零用，又作监测PN结电流，保持电流I=100ma用。

Resultsn&ddIxjl:Etd=Coefficientsbith56%confidencehounds)：“5.706fi<6(-6.384^L16U-05.)I=28.CG>26.D4.3D.03)GooduBEsd£fit：SSI:2.027F^squsrs：0.9918A町BEtedE-squsrs：0.9S14FMSI:0.3134可得玻尔兹曼常数：RMUt5LinearmodelPolyl:E'j)=pLhc4jl2CcisffLeieiiis(lithconfidencebourids):pt=-0.032569^O.GO269B,-0.-302441)r2=1.T8(1.338,L.4L9)GandiiEEEoffit：SSI:1R-Eguare：0.9975AdjustedR^quarH0.的71MSI:D.0D13731.602x10-19=1.956x10-23J/K可得k=bT28.03x(273.15+19.2)ResultssResultss=-2.57mV/KE=qb=1.378eVgo4.3误差分析1）温度控制装置无法保证温度恒定，在缓慢变化中2）仪器调节的过程中要保持U1不变较容易，而保持U2则较为困难，因为当把旋钮跳到某一位置并升高温度时，U1会固定不变，而U2则会不停改变。所以要在温度缓慢变化时，保持U2不变测量U1的值会产生更大的误差(rEit^ralnoielIioL：fijl=£>eip(bn；CaeE£icients?Lth95^canfiisnceoowisIi=4.65je-06(-；.075^5.333e<6)t=3C-.07(2181.30.S3)GcoflnsE?offi-.SSE:G.0208f；K-squEiE：O_'9W9UjusttdR-sqvE：€.99HKH5E：O.'J39j；可得玻尔兹曼常数：,e1.602x10-1917551O…5结论k===1.755x10-23J/KbT30.07x(273.15+30.5)PN结与温度有非常良好的线性关系,U-Tbe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E值。go还拥有单向导电等其他性质，在传感器应用方面有广阔的前景。而且近年来，随着信息科学和材料科学发展成果的推动，PN结传感器技术得到了进一步的飞速发展。随着科学技术的不断进步，人们对现代科技认识的不断深入，PN结传感器必将迎来属于自己的时代。参考文献[1]周殿清，冯辉.基础物理实验.科学出版社.2009.1[2]赵洪涛PN结温度传感器原理及应用电子工程师2006.7附录：玻尔兹曼常数测定数据T=19.1°C,T=19.3°C01U(V)10.310.320.3310.3410.350.360.370.380.39U(V)20.0260.0360.0480.0650.0830.1100.1470.1970.266U(V)10.400.4110.420.430.440.450.460.470.48U(V)20.3530.4830.6430.8531.1371.5612.0892.8563.924U(V)10.490.500.510.520.53U(V)25.3377.54310.33411.58911.600