大学物理实验报告23——PN结温度传感器特性1[策划]

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1、天津大学物理实验报告姓名:专业：班级：学号：实验H期：实验教室：指导教师：【实验名称】PN结物理特性综合实验【实验目的】1.在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2.在不同温度条件下，测最玻尔兹曼常数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【实验仪器】半导体PN结的物理特性实验仪资产编号：XXXX,型号：XXX(必须填写)【实验原理】1.PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量PN结的正向电流

2、-电压关系满足：/=/0[exp(eCJ/kT)-](1)当exp(刃/")>>1时，⑴式括号内T项完全可以忽略，于是有：/=/0exp(eU/kT)(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e/kT.在测得温度T后，就可以得到elk,把电子电量幺作为己知值代入，即可求得玻尔兹曼常数实验线路如图1所示。1234图1PN结扩散电源与结电压关系测量线路图2、弱电流测量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（弱电流放人器），如图2所示。其中虚线框内电阻

3、乙为电流-电压变换器等效输入阻抗。运算放人器的输入电压为:式⑶小4为输入电压，K（）为运算放人器的开坏电压增益，即图2屮电阻©Too时的电压增益（尺称反馈电阻）。因而有：rUi—UoU(l+Ko)L==RfRf由(4)式可得电流-电压变换器等效输入阻抗乙为7UiRfRfZx=—=«I1+KoKo由⑶式和⑷式可得电流-电压变换器输入电流人与输出电压间的关系式，即:Is=—=（6：乙Rf只要测得输出电压U（）和已知R/值，即口J求得人值。3、PN结的结电压t/以与热力学温度T关系测量。当PN结通过恒定小电流（通常/=100“A）,由半

4、导体理论可得以与卩的近似关系:%®+J⑺式中S=-2.3mV/"C为PN结温度传感器灵敏度。山〃炉可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度E^o=qU刘o硅材料的E&。约为1.20eV。【实验内容】（一）7.-Uhe关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（Uhe=U｝）1、在室温情况下，测量三极管发射极与基极Z间电压□和相应电压“2。S的值约从O.3OV至O.5OV范围，每隔O.O1V测一相应电压/的数据，至S达到饱和（S变化较小或基本不变）。在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度0,取温度平均值&。2、改变干井恒温器温

5、度，待PN结与油温一致时，重复测量S和J/?的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数”2二dexp（b〃J。求岀相应的d和b值。4、玻尔兹曼常数£。利用b=e!kTt把电子电量幺作为己知值代入，求出k并与玻尔兹曼常数公认图3Rt值（心=1.381x10—23）进行比较。（-）Ube-T关系测定，计算硅材料OK时近似禁带宽度E的值。1、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I=100//A。同时川电桥测量钳电阻心的电阻值，得恒温器的实际温度。从室温开始

6、每隔5°C-10°C测一组匕。值，记录。2、1111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冋归、指数冋归、乘幕冋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），然后求出衡量各冋归程序好坏的标准差》。对已测得的S和“2各对数据，以S为自变量，“2作因变量，分别代入：（1）线性函数U2=aU^b；⑵乘幕函数U2=aU}h；（3）指数函数i/2=d・exp@S）,求出各函数相应的d和b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。办法是：把实验测得的各个自变量S分别代入三个基本函数，得到相

7、应因变量的预期值（/；，并由此求出各函数拟合的标准差：^=^t［（U2-U；y/n_用最小二乘法对-T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时硅材料禁带宽度约°。【注意事项】1.数据处理时，对于扩散电流太小（起始状态）以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，因为这些数据町能偏离公式（2）。2.必须观测恒温装置上温度计读数，待TTP31三极管温度处于怛定时（即处于热平衡时），才能记录U、和“2数据。3.木实验，TTP31型三极管温度口J采用的范围为0-50°Co4.仪器具有短路白动保护，一般情况

8、集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。【数据记录】（数据仅供参考）0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370/(V)0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.7330.3800.3900.4