半導體PN結的物理特性及弱電流測量

1、成都信息工程學院物理實驗報告姓名： 石朝陽 專業(yè)： 班級： 學號： 實驗日期： 2009-9-15下午 實驗教室： 5102-1 指導教師： 【實驗名稱】 PN結物理特性綜合實驗【實驗目的】1. 在室溫時，測量PN結電流與電壓關系，證明此關系符合波耳茲曼分布規(guī)律2. 在不同溫度條件下，測量玻爾茲曼常數3. 學習用運算放大器組成電流-電壓變換器測量弱電流4. 測量PN結電壓與溫度關系，求出該PN結溫度傳感器的靈敏度5. 計算在0K溫度時，半導體硅材料的近似禁帶寬度【實驗儀器】半導體PN結的物理特性實驗儀 資產編號：，型號：（必須填寫）【實驗原理】1PN結的伏安特性及玻爾茲曼常數測量PN結的正向電

2、流-電壓關系滿足： (1) 當時,(1)式括號內-1項完全可以忽略，于是有： (2)也即PN結正向電流隨正向電壓按指數規(guī)律變化。若測得PN結關系值，則利用(1)式可以求出。在測得溫度后，就可以得到，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數。實驗線路如圖1所示。圖1PN結擴散電源與結電壓關系測量線路圖2、弱電流測量圖2電流電壓變換器LF356是一個高輸入阻抗集成運算放大器，用它組成電流-電壓變換器(弱電流放大器),如圖2所示。其中虛線框內電阻為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。運算放大器的輸入電壓為： (3)式(3)中為輸入電壓，為運算放大器的開環(huán)電壓增益，即圖2中電阻時的電壓增益（稱反饋電阻

3、）。因而有： (4)由（4）式可得電流-電壓變換器等效輸入阻抗為 (5)由(3)式和(4)式可得電流-電壓變換器輸入電流與輸出電壓之間的關系式，即： (6)只要測得輸出電壓和已知值，即可求得值。3、PN結的結電壓與熱力學溫度關系測量。當PN結通過恒定小電流（通常），由半導體理論可得與的近似關系： (7)式中為PN結溫度傳感器靈敏度。由可求出溫度0時半導體材料的近似禁帶寬度。硅材料的約為1.20。【實驗內容】（一）關系測定，并進行曲線擬合計算玻爾茲曼常數（）1、在室溫情況下，測量三極管發(fā)射極與基極之間電壓和相應電壓。的值約從至范圍，每隔測一相應電壓的數據，至達到飽和(變化較小或基本不變)。在記錄

4、數據開始和結束時都要記錄下變壓器油的溫度，取溫度平均值。2、改變干井恒溫器溫度，待PN結與油溫一致時，重復測量和的關系數據，并與室溫測得的結果進行比較。3、曲線擬合求經驗公式：運用最小二乘法將實驗數據代入指數函數。求出相應的和值。圖3 圖44、玻爾茲曼常數。利用，把電子電量作為已知值代入，求出并與玻爾茲曼常數公認值（）進行比較。（二）關系測定，計算硅材料0時近似禁帶寬度值。1、通過調節(jié)圖3電路中電源電壓，使上電阻兩端電壓保持不變，即電流。同時用電橋測量鉑電阻的電阻值，得恒溫器的實際溫度。從室溫開始每隔510測一組值，記錄。2、曲線擬合求經驗公式：運用最小二乘法，將實驗數據分別代入線性回歸、指數

5、回歸、乘冪回歸這三種常用的基本函數(它們是物理學中最常用的基本函數),然后求出衡量各回歸程序好壞的標準差。對已測得的和各對數據，以為自變量，作因變量，分別代入：(1)線性函數；(2)乘冪函數；（3）指數函數，求出各函數相應的和值，得出三種函數式，究竟哪一種函數符合物理規(guī)律必須用標準差來檢驗。辦法是：把實驗測得的各個自變量分別代入三個基本函數，得到相應因變量的預期值,并由此求出各函數擬合的標準差： 用最小二乘法對關系進行直線擬合，求出PN結測溫靈敏度及近似求得溫度為0時硅材料禁帶寬度?！咀⒁馐马棥?. 數據處理時，對于擴散電流太小(起始狀態(tài))以及擴散電流接近或達到飽和時的數據，在處理數據時應刪去

6、，因為這些數據可能偏離公式(2)。2. 必須觀測恒溫裝置上溫度計讀數，待TIP31三極管溫度處于恒定時(即處于熱平衡時),才能記錄和數據。3. 本實驗，TIP31型三極管溫度可采用的范圍為0-50。4. 儀器具有短路自動保護，一般情況集成電路不易損壞，但請勿將二極管保護裝置拆除?！緮祿涗洝浚〝祿H供參考）1、關系測定。 室溫條件下: =25.90， =26.10，=26.000.3100.3200.3300.3400.3500.3600.3700.0730.1040.1600.2300.3370.4990.7330.3800.3900.4000.4100.4200.4300.4401.094

7、1.5752.3483.4955.1517.52811.3252、電流I100時，關系測定。103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.9123.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.067.074.981.2281.2288.1290.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.6440.6470.6310.6150.6050.5840.5630.5530.5310.5190.5010.495【數據處理】1、 曲線擬合求經驗公式，計算玻爾茲曼常數

8、：根據要求用最小二乘法處理數據，假設PN結電流和電壓的關系滿足,所以先要對公式進行線性化處理。由于U2和I是線性關系,即=A*U2,A可視為微小電流轉換為電壓的轉換系數。首先以U2替換I，公式變化為A兩邊取對數：-lnA, 令： lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b上式變化為： 根據最小二乘法的計算公式： (P 27頁) 列表計算：（雙擊該表可見計算過程）由此可知，相關系數r=0.99972,指數擬合的很好，也就說明PN結擴散電流-電壓關系遵循指數分布規(guī)律。計算玻爾茲曼常數，由表中數據得則：2、 求PN結溫度傳感器的靈敏度S，0時硅材料禁帶寬度。用作圖法對數據進行處理：（圖省略）所畫的直線的斜率，即PN結作為溫度傳感器時的靈敏度，表明PN結是負溫度系數的。截距（0溫度）； 則電子伏特?！緦嶒灲Y果】1