PN结特性和玻尔兹曼常数测定

PN结特性和玻尔兹曼常数测定1、实验目的在同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；在不同温度下，测量玻尔兹曼常数；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FB302A型PN结特性研究与玻尔兹曼常数测定仪温度传感器PT100PN-II型PN结综合实验仪3、实验原理PN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：ekTekT(1)式(1)中I是通过PN结的正向电流，I是不随电压变化的常数，T是热力学温度，0e是电子的电量，U为PN结正向电压降。由于在常温(T沁300K)时，kT/g0.02V,而pn结正向电压下降约为十分之几伏，则e辭?1，于是有：00(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e/kT。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k=1.381x1023J•K-i。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，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。弱电流测量以前常用光点反射式检流计测量10-6A：10-11A量级戶何扩散电流，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，而设计了一个能恒流输出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。PN结的结电压Ube与热力学温度T关系测量PN结通过恒定小电流（通常电流I=1000RA），由半导体物理可知U和T近be似关系：U二ST+U ...（3）be go式（3）中Sx-2.3mV；oC为pn结温度传感器灵敏度。由u可求出温度OK时半导体g°材料的近似禁带宽度E=qU。硅材料的E约为1.20eV。gogo go4、实验内容与主要步骤实验系统检查与连接：（1） npN三极管的be极短路，be极构成一个PN结，并用长导线连接测量仪，可方便插入加热器。（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T,R并逐渐升温。V（°）或V（T）的测量和调零：FFR将VI量程选择开关转到v./挡，由“I调节”使I=50卩A，记下V（T）值，将FFFFFFFRI量程选择开关转到av.I挡，由“AV调节”使AV=0。FFF•测定AV-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AV和T，至于AV、T的数据测量，米用每改变10mV立即读取一组AV、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120oC以内。.求被测pN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV-oc）以T为横坐标，AV为纵坐标，作AV-T曲线，其斜率就是S。（注意横纵坐标）6•估算被测PN结材料的禁带宽度。根据avTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"V=V-―T=V-ST （4）g（0） FaT F …（）实际计算时将斜率S、温度T（注意单位为K）及此时的匕值代入上式即可求得，禁带宽度E=qV。将实验所得的E与公认值E=1.21eV比较，求g（0） g（0） g（0） g（0） g（0）其误差。7.玻尔兹曼常数测量调温度3O.OoC附近，稳定3分钟不变，可进行测量。VI量程选择开关转到FF10-6和10-9挡（常用10-8、10-9），从20nA起（先把/电位器调到零，如在PN结有IF PN低电势电荷，用一导线在输入端短路一下回零），等间隔（10nA）选调I，调一个

I,读对应值U，并记录。连续测十几组数据。be调整温度为60.00C附近重复以上测量分析比较测量结果。根据式(2)导出如下关系：I=Iexp(eU,'kT)I工'0 zbe \In(I『I)=In(exp(eU:kTInI-InI=eUe)lnI0U=(kT..'e)ln」e)lnI0be '从上可以看出U:InI呈线性关系。be用作图法画出两个不同温度下的U与I的关系曲线，应为一条直线，求出其斜be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1.测定AV-T曲线(1)实验数据如表1所示：表1表1PN结温度特性测试实验数据表起始温度：Ts=23.9+273K,其中实验测试的条件为(2)根据实验数据用matlab作出相应的AV-T拟合曲线(作图程序见附录A)如图1所示：图1pn结温度特性测试2.确定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S（mV/（C）为AV-T曲线中拟合曲线的斜率，即有：S=2.2549mV•«C-13•估算PN结材料的禁带宽度根据式（4）可知：V/、=V（T）+ST ...（6）g（0） FR R则算出禁带宽度：E=qV=0.674Vg（o） g（o）相对误差：E—Es二—g^0)norm gl0!x100%二44.3%Eg(0)norm玻尔兹曼常数测量(1)30°C时表230.0°C时U-I实验数据表

根据上述数据利用matlab绘制成相应的分析图（代码见附录B），如图2所示。2040608010012014016020406080100120140160(2)45©时表245.0°C时U-I实验数据表此处实验数据以及图表的处理同上，不再赘述。0.360.3550.360.3550.350.3450.340.3350.330.3250.320.3150