半导体PN结的物理特性测量 终定稿

半导体PN结的物理特性测量实验目的了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法。测量PN结结电压与电流关系，证明此关系符合指数分布规律，用作图法求玻尔兹曼常数。实验仪器PN结物理特性实验仪实验原理PN结介于导体与绝缘体之间的物质叫半导体，在半导体中只有一种载流子导电，只有电子（负电荷）导电的半导体叫N型半导体，只有空穴（正电荷）导电的半导体叫P型半导体。以一定的工艺制成的P型半导体和N型半导体相邻的交接处，由于自由扩散形成的结叫PN结。三极管制造工艺的特点：发射极高掺杂浓度；基极很薄几微米到十几微米，减小复合电流；集电极低掺杂浓度，面积较大，有利于接收电子。发射结正向偏置，集电结反向偏置。2．PN结伏安特性及玻尔兹曼常数的测量半导体在常温下PN结电压与电流有如下指数关系：（1）公式（1）中为反向饱和电流，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电量，U为电压。本实验用常规方法测量时，当PN结电压较小时，PN结没导通，通过的电流很弱，普通电流表很难准确测量，无法验证真实的电压电流关系和测量玻尔兹曼常数，而采用集成运放对弱电流放大可解决这些问题。3.弱电流测量实验装置如图1所示，所用PN结由三极管提供，加在三极管B、E间的电压则通过的电流为，三极管电流分布满足，又因为很小，所以；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，把放大成，且它们之间满足线性关系，因此可以说与之间满足指数函数关系，那么与流过PN结的电流也满足指数关系。其工作原理如图2所示，为被测弱电流，为电路的等效输入阻抗，为负反馈电阻，运放的开环放大倍数为，运算放大器的输出电压为：（2）由于运放输入阻抗为无限大，反馈电阻流过的电流近似为，（3）只要测得输出电压和已知值，即可求得，将上式代入可得：（4）图2电流－电压变换器实验内容（1）按图联接线路，调节电压，取值在0.3V－0.5V范围内，依次记下电压和的数值。（2）对两边同取对数变换成线性关系：，令，则，根据与关系绘出曲线图，由曲线求出斜率，算出。实验数据（V）0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370（V）0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733-2.6173-2.2634-1.8326-1.4697-1.0877-0.6952-0.3106（V）0.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440（v）1.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3250.08980.45430.85361.25131.63922.01862.4270表一根据表一中与数值关系绘出曲线图（如图3），从图3可以看出：二者关系曲线是一条准直线，由此证明PN结结电压与电流关系符合指数分布规律。图3LnU2与U1关系曲线图求此准直线斜率B=38.79，若取三极管温度为室温,可进一步算出与公认值相当一致。注意事项数据处理时，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（1）。必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31C三极管温度处于恒定时（即处于热平衡时），才能记录和数据。用本实验仪器完成实验，TIP31C型三极管温度可采用的范围为室温--50℃。若要在-120℃-0℃温度范围内做实验，必须有低温恒温装置。实验讨论1．本实验为何不易采用硅二极管而采用三极管？答：本实验集电极与基极短接，集电极电流中仅仅有扩散电流，复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它，同时二极管的复合电流非常大，所以要采用三极管。2．简述玻尔兹曼分布的物理意义。答：玻尔兹曼分布的物理意义：当有保守外力(如重力场、