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1、第三次近代物理实验 PN结正向压降与温度关系研究 全息光学 迈克尔逊干涉仪 PN结正向压降与温度关系研究1、 实验目的1.了解PN结正向压降与正向电流的基本关系，测定PN结特性曲线及玻尔兹曼常数。2.测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。3.学会用PN结测量温度的一般方法。2、 实验原理 1.半导体物理学中有PN结正向电流与正向电压满足如下关系： E为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。为反向饱和电流，是一个与PN结材料禁带宽度和温度有关的系数，不睡电压变化而变化。在常温下，于是有： 这就是关系，如果测得关系曲线，则可以求出e/kT，测得温度T后就
2、可以求出玻尔兹曼常数k。 2.PN结禁带宽度的测量 物理学中有如下结论，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差，二极管反向饱和电流有如下关系： r是常数，C是与PN结面积、掺杂浓度有关的常数，取对数后可得： 其中 式中有非线性项，可以证明当温度变化范围不大（-50150）时，引起的误差可以忽略不计。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降主要依赖于线性项。 这一结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略温度区间。如果温度过高或过低，则杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，关系的非线性变化更加严重，这说明特性还与PN结的材料有关。为了消去非线性项的影响，可以令管的两个b
3、e结在不同的电流下供作，得到如下关系： 根据，略去非线性项 可得 ，为摄氏温标与开尔文温标之差，S为正向压降随温度变化灵敏度。3、 实验结果 玻尔兹曼常数k的测量01234561404845005165225245267891011122053053554054554754956230405060708090573581586591595599602 将所得数据绘成下图 再用matlab拟合函数可以得到如下表达式： 即： 注意这里的单位取值 对比 可以得到 温度为26.5， 计算值 标准值 误差 1.75% 误差分析：1.读数不准确，仪器示数跳动 2.拟合时a的误差较大 禁带宽度的测量 010
4、2030405021.526.030.635.039.744.06070809010048.452.857.061.565.9将所得数据绘图如下 利用MATLAB拟合结果如下：即得：将上述结果结果代入注意：这里的实际上是负值，故代入时应取 公认值 误差 0.57% 四、思考题 1.是否可以直接测量PN结二极管的电流电压关系来验证？为什么？答：不可以。因为二极管正向电流中不仅含有扩散电流，还有其他成分如耗尽层复 合电流、表面电流等，导致测量不够精确。 2.试验中为何要求测曲线而不是曲线？测和的目的是什 么？答：为常数时，近似为线性关系，用做线性拟合更为精确。测 和是为了根据计算禁带宽 度。 3.
5、测曲线为什么按得变化读取T，而不是按T读取？答：实验中T变化较快，且不容易控制，误差较大。迈克尔逊干涉仪1、 实验目的1、 了解迈克耳孙干涉仪的结构和原理，掌握调节方法；2、 用迈克耳孙干涉仪测量钠光波长和精细结构。2、 仪器用具迈克耳孙干涉仪，钠光灯，透镜等。3、 实验原理 迈克尔逊干涉仪原理如图所示，从光源S发出的一束光摄在分束板G1上，将光束分为两部分：一部分从G1半反射膜处反射，射向平面镜M2；另一部分从G1透射，射向平面镜M1。因G1和全反射平面镜M1、M2均成45角，所以两束光均垂直射到M1、M2上。从M2反射回来的光，透过半反射膜；从M2反射回来的光，为半反射膜反射。二者汇集成一
6、束光，在F处即可观察到干涉条纹。光路中另一平行平板G2与G1平行，其材料厚度与G1完全相同，以补偿两束光的光程差，称为补偿板。 在光路中，M1是M1被G1半反射膜反射所形成的虚像，两束相干光相当于从M1和M2反射而来，迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹如同M2和M1之间的空气膜所产生的干涉条纹一样。 两平面平行我们可以得到等倾干涉，两平面有夹角我们可以得到等厚干涉。若光源是点光源，可以得到非定域干涉。本实验中光程差可用下式表示： 如果两面平行，可得等倾干涉，干涉条纹是一组同心圆环，d增加半个波长则中心“冒出”一个条纹；减少半个波长则“缩进”一个条纹。故有： 精细结构测量： 视见度定义： 实验所用的光
7、源并不是纯单色光源，入射光中包含两种波长和的光波。这时观察到的条纹就是两组干涉条纹的叠加。光程差改变时，两组条纹会错开。当满足时，视见度最低。从某一次视见度最低的位置开始，到下一次视见度最低的位置。光程差为则有： 由此解出： 四、实验数据 钠光波长的测量次数N初读数/mm末读数/mm/mm/nm/nm15030.7513230.736340.01498599.2596.7210030.7342830.704280.03000600.035030.6946930.679920.01477590.8 标准值 误差 1.25% 精细结构测量 误差 0.83% 声光效应的研究1、 实验目的1、 了解声
8、光效应的原理；2、 测量声光器件的衍射效率及对光偏转的研究；3、 利用声光效应测量声波在介质中的传播速度。2、 实验仪器He-Ne 激光电源，声光器件，CCD 光强分布仪，高频功率信号源，示波器，频率计。三、实验原理当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。 光被弹性声波衍射有两种类型，频率较高时产生布拉格衍射，频率较低市场，产生Raman-Nath衍射。由于光速大约是声速的倍，在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可看成是固定的。对于布拉格衍射，入射光满足布拉
9、格条件 为声波波长。当声波为行波时，只有+1或-1级衍射光。且衍射效率极高。图3 布喇格衍射对于布拉格衍射，当很小时，衍射光偏转角， 一级衍射效率为 L、H为超声转换器的长和宽，M2是反映声光介质本身性质的常数。 声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，此频率称为声光器件的中心频率，记为。对于其他频率的超声波其衍射效率将降低。规定衍射效率（或衍射光的相对光强）下降3db（即衍射效率降到最大值的1/时），两频率间的间隔为声光器件的带宽。 四、实验数据光强与频率 I=100mA频率81.096083.018585.003687.015689.021791.024893.1206光强3.323.714
10、.034.334.544.634.65频率95.122697.028099.0232101.1284103.0218105.1021光强4.544.374.113.763.363.91将数据整理得到下图 图中红色曲线是用拟合后的结果。可以看到实验数据较好的符合 关系。 其中心频率大约为93.0728MHz，带宽大约为105.1023-81.0960=24.0063MHz超声波频率和偏转角频率80.065282.039587.112592.011897.0824偏转角6.26.36.57.07.3频率102.0148107.0020112.0668117.0324122.0018偏转角7.57.88.18.69.2将数据整理得到：可以看到，偏转角大致呈线性变化。 零级、一级衍射光强与功率4050607080901004.183.663.082.622.181.821.411.041.392.002.623.223.804.18将数据整理 蓝色代表，绿色代表 可以看到，随着功率逐渐增大，零级衍射光强不断减小，一
