实验报告-半导体PN结的物理特性及弱电流测量

成都信息工程学院物理实验报告姓名：石朝阳专业：班级：学号：实验日期：2009-9-15下午实验教室：5102-1指导教师：【实验名称】PN结物理特性综合实验【实验目的】1.在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律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-电压变换器测量弱电流4.测量PN结电压与温度关系，求出该PN结温度传感器的灵敏度5.计算在0K温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度【实验仪器】半导体PN结的物理特性实验仪资产编号：××××，型号：×××（必须填写）【实验原理】1．PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量PN结的正向电流-电压关系满足：(1)当时,(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结关系值，则利用(1)式可以求出。在测得温度后，就可以得到，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数。实验线路如图1所示。图1图1PN结扩散电源与结电压关系测量线路图图2电流－电压变换器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。其中虚线框内电阻为电流-电压变换器等效输入阻抗。图2电流－电压变换器运算放大器的输入电压为：(3)式(3)中为输入电压，为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻时的电压增益（称反馈电阻）。因而有：(4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗为(5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流与输出电压之间的关系式，即：0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.3700.0730.1040.1600.2300.3370.4990.7330.3800.3900.4000.4100.4200.4300.4401.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3252、电流I＝100时，关系测定。103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.9123.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.067.074.981.2281.2288.1290.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.6440.6470.6310.6150.6050.5840.5630.5530.5310.5190.5010.495【数据处理】曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数：根据要求用最小二乘法处理数据，假设PN结电流和电压的关系满足,所以先要对公式进行线性化处理。由于U2和I是线性关系,即=A*U2,A可视为微小电流转换为电压的转换系数。首先以U2替换I，公式变化为A两边取对数：-lnA,令：lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b上式变化为：根据最小二乘法的计算公式：(P27页)列表计算：（双击该表可见计算过程）由此可知，相关系数r=0.99972,指数拟合的很好，也就说明PN结扩散电流-电压关系遵循指数分布规律。计算玻尔兹曼常数，由表中数据得则：求PN结温度传感器的灵敏度S，0时硅材料禁带宽度。用作图法对数据进行处理：（图省略）所画的直线的斜率，即PN结作为温度传感器时的灵敏度，表明PN结是负温度系数的。截距（0温度）；则电子伏特。【实验结果】1、测量值与公认值相当一致。实验结果：实验结果：2、硅在0温度时禁带宽度公认值电子伏特，上述结果与实际大小基本吻合。由于PN结温度传感器的线性范围为－50℃－－150℃，在常温时，非线性项将不可完全忽略，所以本实验测得电子伏特是合理的。【问题讨论】谈谈自己对本实验的体会与建议等。禁带宽度(Bandgap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到