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：(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，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，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。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。2.3PN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S≈－2.3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。3实验方案 3.1关系测定，并进行曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数（）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相应电压。在常温下的值约从0.31V至0.531V范围每隔0.01V测一点数据，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，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。3.2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。1)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，保持电流用。2)通过调节图3电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流。同时用电桥测量铂电阻的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，可得恒温器的实际湿度。从室温开始每隔5－10测一点值（即）与温度（）关系，求得关系。（至少测6点以上数据）3)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。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可得玻尔兹曼常数：可得玻尔兹曼常数：4.2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。可得4.3误差分析温度控制装置无法保证温度恒定，在缓慢变化中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5结论PN结与温度有非常良好的线性关系，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0.310.320.3310.3410.350.360.370.380.390.0260.0360.0480.0650.0830.1100.1470.1970.2660.400.4110.420.430.440.450.460.470.480.3530.4830.6430.8531.1371.5612.0892.8563.9240.490.500.510.520.535.3377.54310.33411.58911.6000.310.320.330.3410.3510.360.3710.3810.390.0590.0770.1030.1390.1880.2450.3360.4470.5930.400.410.4210.430.440.450.460.470.