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时间:2018-07-12
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1、实验十一PN结物理特性测定一、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结结电压与热力学温度T的关系,求得该传感器的灵敏度,并近似求得0K时硅材料的禁带宽度。二、仪器简介图1PN结物理特性测定仪实验装置-11-电磁学实验实验十一PN结物理特性测定FD-PN-4型PN结物理特性测定仪主要由直流电源、数字电压表、实验板以及干井测温控温装
2、置组成,如图1所示。三、技术指标1.直流电源:±15V直流电源一组,1.5V直流电源一组2.数字电压表:三位半数字电压表量程0—2V,四位半数字电压表量程0—20V3.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℃;控温分辨率0.1℃;5.测温装置:铂电阻及电阻组成直流电桥测温0℃()。四、实验项目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.测量PN结结电压与温度关系,求出
3、结电压随温度变化的灵敏度。4.近似求得0K时半导体(硅)材料的禁带宽度。5.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。五、注意事项1.实验时接±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。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,并注意管脚不要插错。元件标志点必须对准插座标志槽口。4.必须经教师检查线路接线正确,学生
4、才能开启电源,实验结束应先关电源,才能拆除接线。-11-电磁学实验实验十一PN结物理特性测定实验十半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验【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结电压与温度的关系,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:(1)式中是通过PN结的正向电流,是反向饱和电流,在
5、温度恒定是为常数,是热力学温度,q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
6、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-11-电磁学实验实验十一PN结物理特性测定>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(只能放大电压,不能放大电流),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。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
7、,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
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