pn结物理特性及玻尔兹曼常数测量

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1、PN结物理特性及玻尔兹曼常数测量半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。使用本实验的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。本实验的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。【实验目的】1、在室温时，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、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—

2、电压变换器测量10-6A至10-8A的弱电流。4、测量PN结结电压与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。5、计算在0K时半导体（硅）材料的禁带宽度（选作）。6、学会用最小二乘法拟合数据。【实验仪器】FD-PN-4型PN结物理特性综合实验仪（如下图）,TIP31c型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手枪式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。FD-PN-4型PN节物理特性测定仪【实验原理】1.测量三极管发射极与基极电压U1和集电极与基极电压U2之间的关系(a)PN结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，

3、PN结的正向电流-电压关系满足：(1)式(1)中I是通过PN结的正向电流，I0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T是热力学温度，是电子的电荷量，U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-U7关系值，则利用(1)式可以求出/。在测得温度T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

4、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]耗尽层复合电流，它正比于；[3]表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于,一般m>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1　P

5、N结扩散电流与结电压关系测量线路图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。LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流

6、-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可，运算放大器的输入电压U0为：U0=-K0Ui(3)图2　电流－电压变换器式(3)中Ui为输入电压，K0为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻Rf∞时的电压增益，Rf称反馈电阻。因为理想运算放大器的输入阻抗ri∞,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有：7(4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Zr为：(5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流Is输出电压U0之间得关系式，即：(6)由(6)式只要测得输出电压U0和已知Rf值，即可求得IS

7、值。以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论Zr和IS值得大小。对LF356运放的开环增益K0=2×105，输入阻抗ri≈1012Ω。若取Rf为1.00MΩ，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。综合(a)(b)得，利用集成运算放大器组成电流-电压变换器，将弱电流的测量改成电压测量，利用硅三极管(TIP31型)代替二极管，有效实现集电极电流