PN结特性和玻尔兹曼常数测定

1、PN结特性和玻尔兹曼常数测定1、实验目的1 1 .在同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；2 2 .在不同温度下，测量玻尔兹曼常数；3 3 .恒定正向电流条件下，测绘PN结正向压降随温度的变化曲线，计算灵敏度,估算被测PN结材料的禁带宽度2、实验仪器1 1 .FB302A.FB302A 型PN结特性研究与玻尔兹曼常数测定仪2 2 .温度传感器 PT100PT1003 3 .PN-.PN-IIII 型 PNPN 结综合实验仪3、实验原理3.1.3.1.PNPN 结伏安特性与玻尔兹曼常数测定由半导体物理学可知，PN结的正向电流-电压关系满足：eUbeII0e 才 1(2)(2

2、)也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得 PNPN 结 IUIU 关系值,则利用(1)(1)式可以求出e/kTo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，就可以求得玻尔兹曼常数，测得的玻尔兹曼精确值为231k1.38110JKI。为了精确测量玻尔兹曼常数。不用常规的加正向压降测正向微电流的方法，I I式(1)(1)中 I I 是通过 PNPN 结的正向电流，| |0是不随电压变化的常数，T T 是热力学温度,e是电子的电量，U U 为PN结正向电压降。由于在常温 T300KT300K 时，kT/e0.02V,kT/e0.02V,eUbe而PN结正向电压下降约为十分之几

3、伏，则ekT?1,于是有:eUbeI0ekT而是采用inA:1mA范围的可变精密微电流源， 能避免测量微电流不稳定， 又能准确地测量正向压降。3.2.3.2.弱电流测量以前常用光点反射式检流计测量 10106A:10A:1011A A 量级PN扩散电流， 但该仪器有许多不足之处且易损坏。本仪器没有采用高输入阻抗运算放大器组成电流-电压变换器(弱电流放大器)测量弱电流信号，温漂大、读数困难等。为了更精确地测量玻尔兹曼常数，而设计了一个能包流输出1nA:1mA范围的精密微电流源。解决了在测量中很多不稳定因素，能准确地测量正向压降。3.3.3.3.PNPN 结的结电压Ube与热力学温度 T T 关系

4、测量PN结通过恒定小电流(通常电流 I1000I1000A),A),由半导体物理可知 U Ube和 T T 近似关系：UbeSTUg。- -(3)(3)式(3)(3)中 S2.3mVS2.3mVoC C 为PN结温度传感器灵敏度。由 U Ugo可求出温度OK时半导体材料的近似禁带宽度 E Ea aoqUqU。硅材料的 E Ea ao约为 1.20eV1.20eV。gggu4 4、实验内容与主要步骤ered_df8dd92e-05ee-4535-bf19-82301faa636c$. .实验系统检查与连接：NPN极管的 bcbc 极短路，bebe 极构成一个PN结，并用长导线连接测量仪，可方便插

5、入加热器。(2)(2)用七芯插头导线连接测试仪器与加热器。“加热功率”开关置“断”位置，在连接插头时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，即可插入。带有螺母的插头待插入后与插座拧紧，导线拆除时，直插式的应拉插头的可动外套，带有螺母的插头应旋松，决不可鲁莽左右转动或硬拉，否则可能拉断引线影响实验。.转动“加热功率”开关， 从“断”至“低”， 此时测试仪上将显示出室温为TR,并逐渐升温。. .VF0 0 或 V VFTR的测量和调零：将 VFIF量程选择开关转到VFIF挡，由“IF调节”使IF50A,记下 V VFT TR值，将VFIF量程选择开关转到VIF挡，由“V V 调节”使 V0V0。.测定

6、 V VT T 曲线：开启“加热功率”开关置“低”位置（若气温加热慢，可置“高”），进行变温实验，并记录对应的V和T,至于V、T的数据测量，采用每改变 10mV10mV 立即读取一组V、T值，这样可以有效测量误差。应该注意：整个实验过程中要注意升温速率要慢，且温度不宜过高，最好控制在 1201200c c 以内。. .求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度Smv/oc以T为横坐标，V为纵坐标，作VT曲线，其斜率就是So（注意横纵坐标）.估算被测PN结材料的禁带宽度。根据实际计算时将斜率S、温度T（注意单位为K）及此时的VF值代入上式即可求得 V Vg（0）,禁带宽度 E EgqVqVg（0）O

7、将实验所得的 E Eg（0）与公认值 E Eg（0）1.21ev1.21ev 比较,求其误差。. .玻尔兹曼常数测量调温度 30.030.00C C 附近，稳定 3 3 分钟不变，可进行测量。VFIF量程选择开关转到10106和 10109挡（常用 10108、10109）, ,从 20nA20nA 起（先把IF电位器调到零，如在PN结有低电势电荷，用一导线在输入端短路一下回零），等间隔（10nA10nA）选调 I,I,调一个 I,I,读对应值 U Ube,并记录。连续测十几组数据。调整温度为 60.060.00C C 附近重复以上测量分析比较测量结果。根据式（2 2）导出如下关系：IIII0

8、expeUexpeUbe,kTkT1.11.10expeUexpeUbekTkTIn1.1In1.10InexpeUInexpeUbekTkTIniInIIniInI0eUeUbe.kTkTVg(0)VFvTVFSTTF(4)(4)U UbekT,eInIkTelnikT,eInIkTelni。从上可以看出 U Ube:InI:InI 呈线性关系。用作图法画出两个不同温度下的Ube与I的关系曲线，应为一条直线，求出其斜率，进而求得玻尔兹曼常数k,并与公称值进行比较。5、实验数据及处理. .测定VT曲线(1)(1)实验数据如表 1 1 所示：表1PN结温度特性测试实验数据表AV(V)-0.010

9、-0.020-0.030-0.040-0.050-0.060T(C)37.041.846.551.355.960.4AV(V)-0.070-0.080-0.090-0.100-0.110-0.120T(C)64.468.573.578.382.887.2AV(V)-0.130-0.140-0.150-0.160T(C)91.595.699.9104.0起始温度：Ts=23.9+273K,Ts=23.9+273K,其中实验测试的条件为IF50A(2)(2)根据实验数据用 matlabmatlab 作出相应的VT拟合曲线(作图程序见附录 A)A)如图 1 1所示：图1PN结温度特性测试 . .确定

10、灵敏度根据灵敏度的定义，可知被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度SmV/oC为VT曲线中拟合曲线的斜率，即有:S2.2549mVS2.2549mVoC C1 . .估算PN结材料的禁带宽度根据式可知：Vg0VFTRSTR(6)(6)则算出禁带宽度:相对误差:g0norm . .玻尔兹曼常数测量(1)30(1)30C C 时表230.0C时U-I实验数据表I(nA)20304050607080Ube(V)0.3550.3620.3670.3720.3760.3800.383I(nA)90100110120130140150Ube(V)0.3860.3890.3910.3930.3940.3970

11、.398110Eg0qVg00.674VE Eg0normE Eg0100%100%44.3%44.3%T10090807060504030-0.-0.14-0.12-0.08-0.06-0.04-0.02ZV/V根据上述数据利用 matlabmatlab 绘制成相应的分析图（代码见附录 B B）, ,如图 2 2 所示。(2)45(2)45C C 时表245.0C时U-I实验数据表I(nA)20304050607080Ube(V)0.3140.3210.3240.3310.3340.3380.341I(nA)90100110120130140150Ube(V)0.3440.3460.3480.3500.3520.3550.358此处实验数据以及图表的处理同上，不再赘述0.360.3550.350.3450.340.3350.330.3250.320.3150.31(3)60C时表260.0C时U-I实验数据表I(nA)20304050607080Ube(V)0.2680.2760.2820.2870.2920.2950.299I(nA)90100110120130140150200.40.3950.390.3850.380.3750.370.3650.360.3552040608010012014016080100120140160Ube(V)0.