pn结特性测量

PN结的伏安特性与温度特性测量 半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。使用本实验的仪器用物理实验方法，测量PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。本实验的仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN结结电压 与热力学温度T关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K时硅材料的禁带宽度。 【实验目的】 1、在室温时，测量PN结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。 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10-6A至10-8A的弱电流。 4、测量PN结结电压 与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。 5、计算在0K时半导体（硅）材料的禁带宽度。 6、学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法。 【实验仪器】 FD-PN-4型PN结物理特性综合实验仪（如下图）,TIP31c型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手枪式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。 【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(1)中I是通过PN结的正向电流，I0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T是热力学温度， 是电子的电荷量，U为PN结正向压降。由于在常温(300K)时， / ≈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T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]耗尽层复合电流，它正比于 ； [3]表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于 ,一般m>2。 因此，为了验证(2)式及求出准确的 / 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1　PN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10-6A-10-11A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10-9A/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。 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Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。由图2可，运算放大器的输入电压U0为： U0= -K0Ui                                          (3) 图2　电流－电压变换器 式(3)中Ui为输入电压，K0为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻Rf ∞时的电压增益，Rf称反馈电阻。因为理想运算放大器的输入阻抗ri ∞,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Zr为： (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流Is输出电压U0之间得关系式，即： (6) 由(6)式只要测得输出电压U0和已知Rf值，即可求得IS值。以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论Zr和IS值得大小。对LF356运放的开环增益K0=2×105，输入阻抗ri≈1012Ω。若取Rf为1.00MΩ，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I＝1000μA），由半导体理论可得 与T近似关系： （5） 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。 【实验内容与步骤】 （一） 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（说明：图中100Ω的滑动变阻器和1.5V电源已经接入电路，只是1.5V稳压电源正输出没有接地，实验中只需将1.5V正输出接地即可）。图中U1为三位半数字电压表，U2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结与周围环境温度一致，把功率三极管连同散热器浸没在变压器油管中，油管下端插在保温杯中，保温杯内盛有室温水，变压器油温度用O-50℃(0.1℃)的水银温度计测量。（为简单起见，本实验也可把功率三极管置于干井恒温器温度中，打开仪器的加热开关，按温度复位按钮，让仪器探测出环境温度，然后调节恒温控制到与室温相同即可。） 2、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压U1和相应电压U2。在常温下U1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，至U2值达到饱和时(U2值变化较小或基本不变),结束测量。在记数据开始和记数据结束都要同时记录变压器油的温度 ，取温度平均值 。 3、改变干井恒温器温度，待PN结与油温湿度一致时，重复测量U1和U2的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。 4、把(2)式改为 ，运用最小二乘法，将不同温度下采集的 ～ 关系数据代入指数回归函数 关系式中，算出指数函数相应的a和b的最佳值 和 ，则由e／KT= 、 两式分别计算出玻尔兹曼常数K值和弱电流 值，并说明玻尔兹曼分布的物理的含义。已知玻尔兹曼常数公认值 J/K，    由此进而计算出玻尔兹曼常数测量的结果的百分误差。 5、曲线拟合求经验公式（此项内容为选做内容）：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回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),然后求出衡量各回归程序好坏的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差δ。对已测得的U1和U2各对数据，以U1为自变量，U2作因变量，分别代入： (1)线性函数U2=aU1+b；(2)乘幂函数U2=aU1b；（3）指数函数U2=aebU1。求出各函数相应的a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U1分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值U2*,并由此求出各函数拟合的标准差： 式中n为测量数据个数，Ui为实验测得的因变量，Ui*为将自变量代入基本函数的因变量预期值，最后比较哪一种基本函数为标准差最小，说明该函数拟合得最好。 （二） 关系测定，求PN结温度传感器灵敏度S，计算硅材料0K时近似禁带宽度 值（此项内容为选做内容）。 图3            　              图4 1、实验线路如图3所示，测温电路如图4所示。其中数字电压表V2通过双刀双向开关，既作测温电桥指零用，又作监测PN结电流，保持电流I＝100μA用。 2、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＝100μA。同时用电桥测量铂电阻 的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，可得恒温器的实际湿度。从室温开始每隔5℃－10℃测一定 值（即V1）与温度 （℃）关系，求得 关系。（至少测6点以上数据） 3、用最小二乘法对 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 。 【注意事项】 1、数据处理时，对于扩散电流太小(起始状态)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，因为这些数据可能偏离公式(2)。 2、必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录U1和U2数据。 3、用本装置做实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。若要在-120℃-0℃温度范围内做实验，必须有低温恒温装置。 4、由于各公司的运算放大器(LF356)性能有些差异，在换用LF356时，有可能同台仪器达到饱和电压U2值不相同。 5、本仪器电源具有短路自动保护，运算放大器若 15V接反或地线漏接，本仪器也有保护装置，一般情况集成电路不易损坏。请勿将二极管保护装置拆除。 【数据记录及处理】 1、 关系测定，曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。 室温条件下：初温 =      ℃，末温 =       ℃， =      ℃ 表1(U1的起、终点要以具体的实验情况判断) 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 U1/V 0.310 0.320 0.330 0.340 0.350 0.360 0.370 0.380 U2/V                 序号 9 10 11 12 13 14 15 …… U1/V 0.390 0.400 0.410 0.420 0.430 0.440 0.450 …… U2/V               ……                   以U1为自变量，U2为因变量，分别进行线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合，结果填入表2中：