PN结特性实验报告

专业：应用物理题目：PN结特性[试验目的]（1）研究PN结正向压降随温度变化的基本规律。（2）学习用PN结测温的措施。（3）学习一种测量玻尔兹曼常数的措施。[试验仪器]DH-PN-2型PN结正向特性综合试验仪、DH-SJ温度传感试验装置[试验原理]PN结正向电流IF和压降VF之间存在如下近似关系其中q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；Is为反向饱和电流，它是一种和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数其中C是与结面积、掺杂浓度等有关的常数；r是常数，其数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系（一般取r=3.4）；Vg(0)为0K时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。联立二式可得Vl随温度线性变化，Vnl为非线性变化，若忽视非线性部分，误差分析如下温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF时，正向电压理论值与忽视非线性部分值得偏差为当温度变化范围较小时，该偏差可忽视（通过变化温度与IF也可改善线度），令IF=常数，则正向压降只随温度升高线性下降，这就是PN结测温的根据。[试验环节]1.试验系统检查与连接关闭DH-SJ型温度传感器试验装置上的“加热电流”、“风扇电流”开关，接上加热电源线。插好Pt100温度传感器和PN结温度传感器，两者连接均为直插式。PN结引出线分别插入PN结正向特性综合试验仪上的+V、-V和+I、-I。打开电源开关，温度传感器试验装置上将显示出室温TR，记录下起始温度TR。2.玻尔兹曼常数k的测定测得PN结I～V关系，求出玻尔兹曼常数k。将PN结正向特性综合试验仪上的电流量程置于合适档位，调整电流调整旋钮以变化正向电流IF输出示值，观测记录对应的正向电压VF值读数。3.至少完毕对一种PN结材料的V～T曲线的测量及数据处理（1）测定V～T关系曲线选择合适的正向电流IF（如IF=50µA，一般选不不小于100μA的值，以减小自身热效应），并保持不变。试验的起始温度TS取为室温TR，记录对应的VF（TR）。将DH-SJ型温度传感器试验装置上的“加热电流”开关置“开”位置，根据目的温度，选择合适的加热电流（在试验时间容许的状况下，加热电流可以获得小一点，如0.3～0.6A之间）。这时加热炉内温度开始升高，记录对应的VF和T。可按VF每变化10mV或5mV读取一组V、T，这样可以减小测量误差。注意：在整个试验过程中，正向电流IF应保持不变。升温速率要慢，且设定的温度不适宜过高（硅管必须控制在120℃以内，锗管必须控制在45℃以内）。根据数据，绘制ΔV～T曲线。（2）根据作出的ΔV～T曲线的斜率就是S求被测PN结正向压降随温度变化的敏捷度S（mV/℃）。（3）估算被测PN结材料的禁带宽度Eg（0）=qVg（0），忽视非线性项的影响，。此时温差T=-273.2K。将根据此式计算得到的0K时的禁带宽度Eg（0）值与公认值（硅Eg（0）=1.21eV，锗Eg（0）=0.78eV）比较，求其相对误差。数据分析I~U曲线测量数据PN结材料：硅试验温度17.60.3580.3730.3820.3910.3970.4020.0100.0200.0300.0400.0500.0600.4060.4100.4120.4150.4340.4440.0700.0800.0900.1000.2000.3000.4510.4560.4620.4650.4690.4720.4000.5000.6000.7000.8000.9000.4750.4780.4800.4830.4850.4861.0001.101.201.301.401.50玻尔兹曼常数k确实定理想的PN结正向电流与压降存在如下近似关系将上表数据进行拟合得到与原则值的相对误差为U~T曲线测量数据工作电流50.0PN结材料控温电流/A锗0.50055020.6293.845-1025.9299.135-2030.6303.825-3036.3309.515-4043.8317.0硅520044.7317.9510-1045.5318.7500-2049.0322.2490-3053.1326.3480-4057.3330.5470-5061.5334.7460-6065.7338.9450-7069.8343.0440-8073.9347.1430-9078.0351.2420-10082.2355.4410-11086.3359.5拟合成果如下估算禁带宽度PN结材料敏捷度S(mV/℃）计算值公认值相对误差锗-1.74689.890.570.570.7826.9硅-2.504625.111.311.311.218.2分析与讨论误差分析：锗的禁带宽度相对误差明显不小于硅的相对误差1.引起的线性误差PN结材料初始温度末温度锗293.8317.00.26401.73硅317.9359.50.761100.185由此可见，在温度变化范围内，两种PN结材料中由.引起的线性误差均远不不小于，且显然对锗的影响程度不小于硅。2.电流引起的误差（1）耗尽层复合电流（2）界面杂志引起的表面电流均随T升高而减小，因此温度越高引起的二极管电流误差越小，由于锗管试验中温度低于硅管，即电流误差对锗管的影响较大。综上可以解释测得锗的禁带宽度相对误差明显不小于硅的相对误差。为减小上述误差，可在容许范围内，尽