半導(dǎo)體PN結(jié)實(shí)驗(yàn)論文-大物實(shí)驗(yàn)

半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性及弱電流測量摘要：PN結(jié)是構(gòu)成雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管的核心，是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕请娮蛹夹g(shù)中許多器件所利用的特性，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)PN結(jié)的材料、摻雜分布、幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件的不同，利用其基本特性可以制造多種功能的晶體二極管。PN結(jié)溫度傳感器優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化，能使檢測轉(zhuǎn)換一體化。PN結(jié)傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)自動化、遙測、工業(yè)機(jī)器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程和生物工程。關(guān)鍵詞：PN結(jié)；電信號；檢測與控制。Abstract:PNjunctionisthecorecomponentsofbipolartransistorandfieldeffecttransistorandthebasisofModernelectronictechnology.PNjunctionwithunidirectionalconductivityisthecharacteristicsofmanydevicesintheelectronictechnology.Forexample,thematerialbaseofasemiconductordiodeandabipolartransistor.Accordingtothematerials,dopingdistribution,PNjunctiongeometryandbiasconditions,usingthebasicpropertiescanproducethecrystaldiodewithavarietyoffunctions.PNjunctiontemperaturesensorhastheadvantagesofhighsensitivity,fastresponsespeed,smallvolume,lightweight,easyintegration,intelligentdetection,canmaketheconversionofintegration.ThemainapplicationfieldofPNjunctionsensorisindustrialautomation,remotesensing,industrialrobots,householdappliances,environmentalmonitoring,medicalcare,medicalandbiologicalengineering.Keywords:PNjunction;signal;detectionandcontrol.1前言隨著信息時代的影響越來越深入，各種控制電路已經(jīng)融入了人們的生活。各種各樣的半導(dǎo)體在控制電路中扮演著重要的角色。PN結(jié)有反向擊穿性，單向?qū)щ娦?，電容特性等重要的性質(zhì)。2半導(dǎo)體PN結(jié)原理2?1PN結(jié)伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測量由半導(dǎo)體物理學(xué)可知,PN結(jié)的正向電流-電壓關(guān)系滿足：I二ILxp(eU/kT)-1]⑴0式中1是通過PN結(jié)的正向電流，10是反向飽和電流，在溫度恒定是為常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，e是電子的電荷量，U為PN結(jié)正向壓降。由于在常溫(300K)時，kT/e~0.026v，而PN結(jié)正向壓降約為十分之幾伏，則eXp(eU/kT)〉〉1,⑴式括號內(nèi)一1項完全可以忽略，于是有：I二Iexp(eU/kT)心、0(2)也即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測得PN結(jié)I-U關(guān)系值，則利用⑴式可以求出e/kT。在測得溫度T后,就可以得到e/k常數(shù)，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)k。在實(shí)際測量中，二極管的正向i-u關(guān)系雖然能較好滿足指數(shù)關(guān)系，但求得的常數(shù)k往往偏小。這是因?yàn)橥ㄟ^二極管電流不只是擴(kuò)散電流，還有其它電流。一般它包括三個部分：1)擴(kuò)散電流，它嚴(yán)格遵循(2)式；耗盡層符合電流，它正比于exp(eU/2kT)；3)表面電流，它是由硅和二氧化硅界面中雜質(zhì)引起的，其值正比于eXp(eU/mkT)，一般m〉2。因此，為了驗(yàn)證(2)式及求出準(zhǔn)確的e/k常數(shù)，不宜采用硅二極管，而采用硅三極管接成共基極線路，因?yàn)榇藭r集電極與基極短接，集電極電流中僅僅是擴(kuò)散電流。復(fù)合電流主要在基極出現(xiàn)，測量集電極電流時，將不包括它。本實(shí)驗(yàn)中選取性能良好的硅三極管(TIP31型),實(shí)驗(yàn)中又處于較低的正向偏置，這樣表面電流影響也完全可以忽略，所以此時集電極電流與結(jié)電壓將滿足(2)式。實(shí)驗(yàn)線路如圖1所示。2eb312T卜bce2eb312T卜bce□100Q1.5Vz^圖1PN結(jié)擴(kuò)散電源與結(jié)電壓關(guān)系測量線路圖2.2弱電流測量過去實(shí)驗(yàn)中10_6A-10_11A量級弱電流采用光點(diǎn)反射式檢流計測量，該儀器靈敏度較高約10_9A/分度，但有許多不足之處，如十分怕震，掛絲易斷；使用時稍有不慎，光標(biāo)易偏出滿度，瞬間過載引起引絲疲勞變形產(chǎn)生不回零點(diǎn)及指示差變大。使用和維修極不方便。近年來，集成電路與數(shù)字化顯示技術(shù)越來越普及。高輸入阻抗運(yùn)算放大器性能優(yōu)良，價格低廉，用它組成電流-電壓變換器測量弱電流信號，具有輸入阻抗低，電流靈敏度高。溫漂小、線性好、設(shè)計制作簡單、結(jié)構(gòu)牢靠等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于物理測量中。巴：-圖2電流－電壓變換器LF356是一個高輸入阻抗集成運(yùn)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(nèi)電阻Zr為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。由圖2，運(yùn)算放大器的輸入電壓0為：U=-KU00i(3)式⑶中Ui為輸入電壓，Ko為運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓增益，即圖4中電阻RTaRf時的電壓增益，f稱反饋電阻。rTa因?yàn)槔硐脒\(yùn)算放大器的輸入阻抗i，所以信號源輸入電流只流經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的通路。因而有：I二(U—U)/R=U(1+K)/RSi0ri0f(4)由(4)式可得電流-電壓變換器等效輸Z入阻抗Zr為Z=U/1=R/(1+K)沁R/K(5)risf0f0由(3)式和(4)式可得電流-電壓變換器輸入電流，z輸出電壓Uo之間得關(guān)系式,即：I=-U(1+K)/RsK0f=-U(1+1/K)/R(6)00f=-U/R0f由(6)式只要測得輸出電壓U0和已知

RIf值，即可求得S值。以高輸入阻抗集成ZI運(yùn)算放大器LF356為例來討論r和s值的大小。對LF356運(yùn)放的開環(huán)增益K二2x1050丄人、療口丄亠r—10120K二2x1050輸入阻抗i。若取Rf為1.00M0，貝y由（5）式可得:Z二1.00x1060/（I+2x105）二50r若選用四位半量程200mV數(shù)字電壓表，它最后一位變化為0.01mV，那么用上述電流-電壓變換器能顯示最小電流值為：（I）二0.01x10-3V/（1x106）二1x10-11Asmin由此說明，用集成運(yùn)算放大器組成電流-電壓變換器測量弱電流，具有輸入阻抗小、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。2.3PN結(jié)的結(jié)電壓Ube與熱力學(xué)溫度T關(guān)系測量。當(dāng)PN結(jié)通過恒定小電流（通常電流1=1000卩A）,由半導(dǎo)體理論可得"be與T近似關(guān)系：U=ST+Ubego（5）式中S~—2.3mV/oC為PN結(jié)溫度傳感器靈敏度。由"go可求出溫度OK時半導(dǎo)體材料的近似禁帶寬度Ego=qUgo。硅材E料的go約為1.2OeV。3實(shí)驗(yàn)方案I-U關(guān)系測定，并進(jìn)行曲線擬合求cbe經(jīng)驗(yàn)公式，計算玻爾茲曼常數(shù)（U二U）be11）實(shí)驗(yàn)線路如圖1所示。圖中U1為三位半數(shù)字電壓表，U2為四位半數(shù)字電壓表，TIP31型為帶散熱板的功率三極管，調(diào)節(jié)電壓的分壓器為多圈電位器，為保持PN結(jié)與周圍環(huán)境一致，把TIP31型三極管浸沒在盛有變壓器油干井槽中,變壓器油溫度用鉑電阻進(jìn)行測量。2）在室溫情況下，測量三極管發(fā)射極與基極之間電壓U1和相應(yīng)電壓U2。在常溫下U1的值約從0.31V至0.531V范圍每隔0.01V測一點(diǎn)數(shù)據(jù)，至U2值達(dá)到飽和時（U2值變化較小或基本不變）,結(jié)束測量。在記數(shù)據(jù)開始和記數(shù)據(jù)結(jié)束都要同時記錄變壓器油的溫度0，取溫度平均值°。3）改變干井恒溫器溫度，待PN結(jié)與油溫濕度一致時，重復(fù)測量U1和U2的關(guān)系數(shù)據(jù)，并與室溫測得的結(jié)果進(jìn)行比較。4）曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公式：運(yùn)用最小二乘法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入線性回歸、指數(shù)回歸、乘冪回歸這三種常用的基本函數(shù)（它們是物理學(xué)中最常用的基本函數(shù)）,然后求出衡量各回歸程序好壞的標(biāo)準(zhǔn)差5。對已測得的U1和U2各對數(shù)據(jù)，以U1為自變量，U2作因變量，分別代入：（1）線性函數(shù)U2=aU1+b；⑵乘幕函數(shù)U2二aU1b；（3）指數(shù)函數(shù)U2=a旳（bU1）。求出各函數(shù)相應(yīng)的"和b值，得出三種函數(shù)式，究竟哪一種函數(shù)符合物理規(guī)律必須用標(biāo)準(zhǔn)差

2）通過調(diào)節(jié)圖3電路中電源電壓，使上電來檢驗(yàn)。方法是：把實(shí)驗(yàn)測得的各個自變量U1分別代入三個基本函數(shù)，得到相應(yīng)因變量U*的預(yù)期值U2，并由此求出各函數(shù)擬合的標(biāo)準(zhǔn)差

阻兩端電壓保持不變，即電流I=100V。同時用電橋測量鉑電阻R的電阻值，通過T查鉑電阻值與溫度關(guān)系表，可得恒溫器的實(shí)際濕度。從室溫開始每隔5。C—10。C測一點(diǎn)U值（即V）與溫度9（。C）關(guān)系，be1式中N為測量數(shù)據(jù)個數(shù)，Ui為實(shí)驗(yàn)測

求得U-T關(guān)系。（至少測6點(diǎn)以上數(shù)據(jù)）beU*得的因變量，Ui為將自變量代入基本函數(shù)

3）用最小二乘法對U-T關(guān)系進(jìn)行直線be的因變量預(yù)期值，最后比較哪一種基本函數(shù)

擬合，求出PN結(jié)測溫靈敏度S及近似求得為標(biāo)準(zhǔn)差最小，說明該函數(shù)擬合得最好。

溫度為°K時硅材料禁帶寬度%5）計算elK常數(shù)，將電子的電量作為標(biāo)準(zhǔn)差代入，求出玻爾茲曼常數(shù)并與公認(rèn)值進(jìn)行比

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析4.1測定玻爾茲曼常數(shù)可從之前公式推得較。1）實(shí)驗(yàn)線路如圖3所示，測溫電路如圖41）實(shí)驗(yàn)線路如圖3所示，測溫電路如圖4go值。kTbTU-TUBeT關(guān)系測定，求PN結(jié)溫度傳感器靈敏度S,計算硅材料0K時近似禁帶寬度所示。其中數(shù)字電壓表V通過雙刀雙向開2關(guān)，既作測溫電橋指零用，又作監(jiān)測PN結(jié)電流，保持電流I=100ma用。

Resultsn&ddIxjl:Etd=Coefficientsbith56%confidencehounds)：“5.706fi<6(-6.384^L16U-05.)I=28.CG>26.D4.3D.03)GooduBEsd￡fit：SSI:2.027F^squsrs：0.9918A町BEtedE-squsrs：0.9S14FMSI:0.3134可得玻爾茲曼常數(shù)：RMUt5LinearmodelPolyl:E'j)=pLhc4jl2CcisffLeieiiis(lithconfidencebourids):pt=-0.032569^O.GO269B,-0.-302441)r2=1.T8(1.338,L.4L9)GandiiEEEoffit：SSI:1R-Eguare：0.9975AdjustedR^quarH0.的71MSI:D.0D13731.602x10-19=1.956x10-23J/K可得k=bT28.03x(273.15+19.2)ResultssResultss=-2.57mV/KE=qb=1.378eVgo4.3誤差分析1）溫度控制裝置無法保證溫度恒定，在緩慢變化中2）儀器調(diào)節(jié)的過程中要保持U1不變較容易，而保持U2則較為困難，因?yàn)楫?dāng)把旋鈕跳到某一位置并升高溫度時，U1會固定不變，而U2則會不停改變。所以要在溫度緩慢變化時，保持U2不變測量U1的值會產(chǎn)生更大的誤差(rEit^ralnoielIioL：fijl=￡>eip(bn；CaeE￡icients?Lth95^canfiisnceoowisIi=4.65je-06(-；.075^5.333e<6)t=3C-.07(2181.30.S3)GcoflnsE?offi-.SSE:G.0208f；K-squEiE：O_'9W9UjusttdR-sqvE：€.99HKH5E：O.'J39j；可得玻爾茲曼常數(shù)：,e1.602x10-1917551O…5結(jié)論k===1.755x10-23J/KbT30.07x(273.15+30.5)PN結(jié)與溫度有非常良好的線性關(guān)系,U-Tbe關(guān)系測定，求PN結(jié)溫度傳感器靈敏度S,計算硅材料0K時近似禁帶寬度E值。go還擁有單向?qū)щ姷绕渌再|(zhì)，在傳感器應(yīng)用方面有廣闊的前景。而且近年來，隨著信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展成果的推動，PN結(jié)傳感器技術(shù)得到了進(jìn)一步的飛速發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對現(xiàn)代科技認(rèn)識的不斷深入，PN結(jié)傳感器必將迎來屬于自己的時代。參考文獻(xiàn)[1]周殿清，馮輝.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn).科學(xué)出版社.2009.1[2]趙洪濤PN結(jié)溫度傳感器原理及應(yīng)用電子工程師2006.7附錄：玻爾茲曼常數(shù)測定數(shù)據(jù)T=19.1°C,T=19.3°C01U(V)10.310.320.3310.3410.350.360.370.380.39U(V)20.0260.0360.0480.0650.0830.1100.1470.1970.266U(V)10.400.4110.420.430.440.450.460.470.48U(V)20.3530.4830.6430.8531.1371.5612.0892.8563.924U(V)10.490.500.510.520.53U(V)25.3377.54310.33411.58911.600