实验报告半导体PN结物理特性弱电流测量

1、实验报告半导体PN结的物理特色及弱电流丈量(精)实验报告半导体PN结的物理特色及弱电流丈量(精)7/7实验报告半导体PN结的物理特色及弱电流丈量(精)成都信息工程学院物理实验报告姓名：实验日期：石旭日2009-9-15专业：下午实验教室：班级：5102-1学号：指导教师：【实验名称】PN结物理特色综合实验【实验目的】在室温时，丈量PN结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼散布规律在不一样样温度条件下，丈量玻尔兹曼常数学惯用运算放大器构成电流-电压变换器丈量弱电流丈量PN结电压与温度关系，求出该PN结温度传感器的敏捷度计算在0K温度时，半导体硅资料的近似禁带宽度【实验仪器】半导体PN结的物理特

2、色实验仪财产编号：，型号：（必然填写）【实验原理】1PN结的伏安特色及玻尔兹曼常数丈量PN结的正向电流-电压关系知足：II0exp(eU/kT)1(1)当expeU/kT1时,(1)式括号内-1项完满能够忽视，于是有：II0exp(eU/kT)(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IU关系值，则利用(1)式能够求出e/kT。在测得温度T后，就能够获取e/k，把电子电量e作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。实验线路如图1所示。1MTIP317+15VTIP311001.5Vec2-6bceLF356b3+8765V4-15VV12LF3561234图1PN结扩散电源与

3、结电压关系丈量线路图2、弱电流丈量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它构成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。此中虚线框内电阻Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。RfIs-KoIs+ZUirU0图2电流电压变换器运算放大器的输入电压U0为：U0K0Ui(3)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称反应电阻）。因此有：IsUiU0Ui(1K0)ffRR由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Z为xUiRRZxffIs1K0K0时的电压增益（Rf(4)(5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流Is与输出电压U0之间的关系式，即：

4、IsUiU0Zr(6)Rf只需测得输出电压U0和已知Rf值，即可求得Is值。3、PN结的结电压Ube与热力学温度T关系丈量。当PN结经过恒定小电流（平常I100A），由半导体理论可得Ube与T的近似关系：UbeSTUgo(7)式中S2.3mV/oC为PN结温度传感器敏捷度。由Ugo可求出温度0K时半导体资料的近似禁带宽度EgoqUgo。硅资料的Ego约为1.20eV。【实验内容】（一）IcUbe关系测定，并进行曲线拟共计算玻尔兹曼常数（UbeU1）1、在室温状况下，丈量三极管发射极与基极之间电压U1和相应电压U2。U1的值约从0.30V至0.50V范围，每隔0.01V测一相应电压U2的数据，至

5、U2达到饱和(U2变化较小或基本不变)。在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度，取温度均匀值。2、改变干井恒温器温度，待PN结与油温一致时，重复丈量U1和U2的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数U2aexpbU1。求出相应的a和b值。4e/kT，把电子电量e作为已知值代入，求出k并与玻尔兹曼常数公认、玻尔兹曼常数k。利用b12R1RT3VR2R4RV2图3图4值（k01.3811023）进行比较。（二）UbeT关系测定，计算硅资料0K时近似禁带宽度Ego值。1、经过调理图3电路中电源电压，使上电阻两头电压保持不变，即电流I

6、100A。同时用电桥丈量铂电阻RT的电阻值，得恒温器的实质温度。从室温开始每隔510测一组Ube值，记录。2、曲线拟合求经验公式：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),此后求出权衡各回归途序利害的标准差。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U2aU1b；(2)乘幂函数U2aU1b；（3）指数函数U2aexp(bU1)，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然用标准差来查验。方法是：把实验测得的各个自变量U1分别代入三个基本函数，获取相应

7、因变量的预期值U2*,并由此求出各函数拟合的标准差：n*)2/n(U2U2i1用最小二乘法对UbeT关系进行直线拟合，求出结测温敏捷度S及近似求得温度为0K时硅资料PN禁带宽度Ego。【注意事项】数据办理时，关于扩散电流太小(初步状态)以及扩散电流凑近或达到饱和时的数据，在办理数据时应删去，因为这些数据可能偏离公式(2)。2.必然观察恒温装置上温度计读数，待TIP31三极管温度处于恒准时(即处于热均衡时),才能记录U1和U2数据。3.本实验，TIP31型三极管温度可采纳的范围为0-50。仪器拥有短路自动保护，一般状况集成电路不易破坏，但请勿将二极管保护装置拆掉。【数据记录】（数据仅供参照）1、

8、IcUbe关系测定。室温条件下:1=25.90，2=26.10，=26.00U1(V)0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U2(V)0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733U1(V)0.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440U2(V)1.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3252、电流I100uA时，UbeT关系测定。RT/0CT/KUbe/V103.28.0281.20.644106.014.9288.10.647107.017.7290.90.631109.925.029

9、8.20.615111.529.0302.20.605115.338.7311.90.584119.349.0322.20.563122.958.7331.90.553123.560.0333.20.531126.367.0340.20.519129.374.9348.10.501131.981.2354.20.495【数据办理】1、曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数：依据要求用最小二乘法办理数据，假定PN结电流和电压的关系知足II0exp(eU/kT),因此先要对公式II0exp(eU/kT)进行线性化办理。UA*U,A第一以U因为2和I是线性关系,即I=2可视为微小电流变换为电压的变换系

10、数。2取代I，公式变化为AU2I0exp(eU1/kT)两边取对数：lnU2lnI0eU1/kT-lnA,令：lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b上式变化为：yabxaybxxyxy依据最小二乘法的计算公式：xyxyr(P27页)b2222)x2(x)2(xx)(yyx1nxi,x21nxi2,y1kyi,xy1nxyni1ni1ki1ni1列表计算：（双击该表可见计算过程）nU1U2xyxyx2y210.310.0730.31-2.6173-0.811360.09616.85023820.320.1040.32-2.26336-0.724280.10245.1228183

11、0.330.160.33-1.83258-0.604750.10893.35835540.340.230.34-1.46968-0.499690.11562.15994750.350.3370.35-1.08767-0.380690.12251.18303160.360.4990.36-0.69515-0.250250.12960.48323270.370.7330.37-0.31061-0.114930.13690.09647880.381.0940.380.0898410.0341390.14440.00807190.391.5750.390.4542550.177160.15210.20

12、6348100.42.3480.40.8535640.3414260.160.728571110.413.4950.411.2513330.5130470.16811.565835120.425.1510.421.6391910.688460.17642.686947130.437.5280.432.0186290.8680110.18494.074865140.4411.3250.442.4270131.0678860.19365.890391均匀值0.375-0.110180.0217270.142252.458223b38.79688a-14.659r0.999972由此可知，有关系数r

13、=0.99972,指数拟合的很好，也就说明PN结扩散电流-电压关系依据指数散布规律。计算玻尔兹曼常数，由表中数据得e/kbT38.79(273.1526.00)1.160104CK/Je1.60210191.3810-23J/K则：k测1.160104e/k2、求PN结温度传感器的敏捷度S，0K时硅资料禁带宽度Ego。用作图法对UbeT数据进行办理：（图省略）所画的直线的斜率，即PN结作为温度传感器时的敏捷度s2.30mV/K，表示PN结是负温度系数的。截距Ugo1.30（0K温度）；则EgoeU1.30V电子伏特。【实验结果】1、丈量值k测1.3810-23J/K与公认值k01.3811023J/K相当一致。实验结果：k测1.3810-23J/Kk测k0Ak0100%0.08%2、硅在0K温度时禁带宽度公认值Ego1.205电子伏特，上述结果与实质大小基本符合。因为结PN温度传感器的线性范围为50150，在常温时，非线性项将不能够完满忽视，因此本实验测得Ego1.30电子伏特是合理的。【问题讨论】说说自己对本实验的意会与建议等。禁带宽度(Bandgap)