复旦大学物理实验(上)半导体PN结的物理特性实验报告

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1、半导体PN结的物理特性实验目的与要求1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。实验原理PN结的物理特性测量由半导体物理学中有关PN结的研究，可以得出PN结的正向电流一电压关系满足（1）式中I是通过PN结的正向电流，I0是不随电压变化的常数，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)下，KT/e=0,026V，而PN结正向压降约为十分之几伏，则eeU/kT>>l，(1)式括号内-1

2、项完全可以忽略，于是有(2)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(2)式可以求出e/kT.在测得温度T后，就可以得到e/k常数，然后将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，为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性，利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点，常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替PN结进行测量.具体线路如图下实验仪器PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置1、直流电源和数字电压表，包括—15V——0——+15V

3、直流电源、1.5V直流电源、0——2V三位半数字电压表、四位半数字电压表.2、LF356集成运算放大器，它的各引线脚如2脚、3脚、4脚、6脚、7脚由学生用棒针引线连接;待测样品TIP31型三极管的e、b、c三电极可以从机壳右面接线柱接入3、不诱钢保温杯組合，它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器水银温度计等.(实验时，开始保温杯内为适量室温水，然后根据实验需要加一些热水，以改变槽内水的温度;测量时应搅拌水，待槽内水温恒定时，进行测量）实验内容一、必做部分：1、在室温（保温杯加入适量的自来水，为什么？）下，测量

4、PN结正向电流与电压的关系。·粗略测量PN结正向电压U1及正向电流所对应的电压U2之间的关系。（U2何时出现饱合？为什么会出现饱合？）·由粗测结果确定仔细测量的范围（U2大致的变化范围是多少？）；约测12-16组数据。·用最小二乘法对实验数据分别作线性、指数、乘幂等函数的拟合，由求得的回归系数和标准偏差来判断各函数的优劣。·计算玻尔兹曼常数k。2、保持PN结正向电压不变，测量PN结正向电流与温度的关系。·温差不小于30℃，不少于7组数据。（如何保持PN结的正向电流不变？）·以此推算反向饱和电流与温度的关系，并计算

5、0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。3、保持PN结正向电流不变，测量PN结正向电压与温度的关系。·温差不小于30℃，不少于7组数据。·以此推算正向电压与温度的关系，并计算0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。实验数据记录1、粗测：粗测时分为三个阶段，第一阶段是V2<0，此时V1<274.66mV，当V2=0时，V1=274.66mV接下来是第二阶段，V2>0，V1和V2都发生变化，但V2变化幅度逐渐变小，直至几乎不变，当V2=13.503V时，不论V1如何变化，V2都几乎不再发生变化，刚到达此值时，V1=0.4745V

6、再后来是第三阶段，V1继续变化，但V2几乎不变。则所取细测范围为274.66mV~0.4745V之间。细测：(小数点后5位的原测量时单位为mV)组数V1/VV2/VT/°C10.273200.0000423.720.286170.0042023.830.299200.0111723.840.312170.0224523.850.32520.0414523.860.33820.0731423.870.35120.1262523.980.36420.2143523.990.37720.361723.9100.3902

7、0.605323.9110.40321.010223.9120.41621.697524.0130.42922.829424.0140.44224.724024.1150.45527.887024.1160.468213.10824.1下面是作图后的拟合图像：1、直线拟合偏差：截距3.9215斜率10.44314偏差较大2、指数拟合y=y0+A1*e((x-x0)/t1)y=-0.00796+0.0114*e((x-0.28847)/0.0255)偏差y00.00188t12.11219*10-5偏差较小3、幂函

8、数拟合y=a*x^b偏差a809874.08472b0.12955偏差较大综上，应为指数函数形式U2=A1*e(-u1/t1)+y0所以可得e/KT=t1=0.0255T=297.05K可得K=t1*e/T=1.374*10-23J/K不确定度(u(k)/k)2=(u(t)/t)2+(u(T)/T)2+(u(e)/e)2U(t)/t=0.000828U(T)/T=0.03