半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验

《半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、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，

2、≈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。

3、因此，为了验证(2)式及求出准确的/-14-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．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

4、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：-14-(3)式(3)中为输入电压，为运算放大器的开环电压增

5、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

6、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。3.PN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）-14-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。【实验仪器】1.直流电源、数字电压表、温控仪组合装置（包括±15V直流电源、0－1.5V及3.0V直流电源、三位半数字电压表、四位半数字电压表、温控仪）。2.TIP31型三极管（带三根引线）1个,3DG三极管1个。3.干井铜质恒温器（含加热器）及小电风扇

7、各1个。4.配件：LF356运算放大器各2块，TIP31型三极管1只，引线9根；用户自配：ZX21型电阻箱1只。【实验过程】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0.3V至0.42V范围每隔0.01V测一点数据，约测10多数据点

8、，至值达到饱和时(值变化