本文格式为Word版，下载可任意编辑PN结物理特性和玻尔兹曼常数测量 WORD格式可编辑 PN结物理特性及玻尔兹曼常数测量 半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要根基内容之一使用本测验的仪器用物理测验方法，测量PN结分散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法本测验的仪器同时供给干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN结结电压Ube与热力学温度T关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K时硅材料的禁带宽度 【测验目的】 1、在室温时，测量PN结分散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律 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10-6A至10-8A的弱电流 4、测量PN结结电压be与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度 5、计算在0K时半导体（硅）材料的禁带宽度（选作） 6、学会用最小二乘法拟合数据 【测验仪器】 FD-PN-4型PN结物理特性综合测验仪（如下图）,TIP31c型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手枪式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。
U FD-PN-4 型PN节物理特性测定仪 【测验原理】 1. 测量三极管放射极与基极电压U1和集电极与基极电压U2之间的关系 (a)PN结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN结的正向电流-电压关系得志： I?I0eeU/KT?1 (1) 式(1)中I是通过PN结的正向电流，I0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T是热力学温度，e是电子的电荷量，U为PN结正向压降由于在常温(300K)时， kT/e≈0.026v ，而PN结正向压降约为特别之几伏，那么eeU/KT??>>1,(1)式括号内-1项完全可 以疏忽，于是有： I?I0eeU/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I-U关系值，那么利用(1) 专业学识共享 WORD格式可编辑 式可以求出e/kT。
在测得温度T后，就可以得到e/k常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 在实际测量中，二极管的正向I-U关系虽然能较好得志指数关系，但求得的常数k往往偏小这是由于通过二极管电流不只是分散电流，还有其它电流一般它包括三个片面： [1]分散电流，它严格遵循(2)式； [2]耗尽层复合电流，它正比于eeU/2KT； eU/mKT[3]外观电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于e,一般m>2 因此，为了验证(2)式及求出切实的e/k常数，不宜采用硅二极管，而采用硅三极管接成共基极线路，由于此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是分散电流复合电流主要在基极展现，测量集电极电流时，将不包括它本测验中选取性能良好的硅三极管(TIP31型),测验中又处于较低的正向偏置，这样外观电流影响也完全可以疏忽，所以此时集电极电流与结电压将得志(2)式测验线路如图1所示 1MeTIP31b723+15V6TIP31bce1.5V100ΩV1c-+LF35648765-15VV2LF3561234图1 PN结分散电流与结电压关系测量线路图 2、弱电流测量 过去测验中10-6A-10-11A量级弱电流采用光点反射式检流计测量，该仪器灵敏度较高约-9 10A/分度，但有大量缺乏之处。
如特别怕震，挂丝易断；使用时稍有不慎，光标易偏出满度，瞬间过载引起引丝疲乏变形产生不回零点及指示差变大使用和修理极不便当近年来，集成电路与数字化显示技术越来越普及高输入阻抗运算放大器性能优良，价格低廉，用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号，具有输入阻抗低，电流灵敏度高温漂小、线性好、设计制作简朴、布局牢靠等优点，因而被广泛应用于物理测量中 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Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗由图2可，运算放大器的输入电压U0为： U0= -K0Ui (3) Rf-+IsKoU0IsZrUi图2 电流－电压变换器 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?∞时的电压增益，Rf称反应电阻由于梦想运算放大器的输入阻抗ri?∞,所以信号源输入电流只流经反应网络构成的通路因而有： 专业学识共享 WORD格式可编辑 IS?(Ui?U0)/Rf?Ui(1?K0)/Rf (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Zr为： Zr?Ui/IS?Rf/(1?K0)?Rf/K0 (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流Is输出电压U0之间得关系式，即： Is??U0U1(1?K0)/Rf?U0(1?)/Rf?0 (6) K0K0Rf由(6)式只要测得输出电压U0和已知Rf值，即可求得IS值。
以高输入阻抗集成运算放 大器LF356为例来议论Zr和IS值得大小对LF356运放的开环增益K0=2×105，输入阻抗ri≈1012Ω若取Rf为1.00MΩ，那么由(5)式可得： Zr?1.00?106?/(1?2?105)?5? 若选用四位半量程200mV数字电压表，它结果一位变化为0.01mV ，那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为： (Is)min?0.01mV/1.00?106??1?10?11A 由此说明，用集成运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流，具有输入阻抗小、灵敏度高的优点 综合(a)(b)得，利用集成运算放大器组成电流-电压变换器，将弱电流的测量改成电压测量，利用硅三极管(TIP31型)代替二极管，有效实现集电极电流中仅仅是分散电流 (2)PN结的结电压Ube与热力学温度T关系测量（选作选学内容） 当PN结通过恒定小电流（通常电流I＝1000μA），由半导体理论可得Ube与T近似关系： Ube?ST?Ugo （5） 式中S≈－2.3mV/oC为PN结温度传感器灵敏度。
由Ugo可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽 度Ego＝qUgo硅材料的Ego约为1.20eV 【测验内容与步骤】 （一）Ic?Ube关系测定，并举行曲线拟合求阅历公式，计算玻尔兹曼常数Ube?U1 1、测验线路如图1所示（说明：图中100Ω的滑动变阻器和1.5V电源已经接入电路，只是1.5V稳压电源正输出没有接地，测验中只需将1.5V正输出接地即可）图中U1为三位半数字电压表，U2为四位半数字电压表，TIP31型为带散热板的功率三极管，调理电压的分压器为多圈电位器为保持PN结与周边环境温度一致，把功率三极管连同散热器浸没在变压器油管中，油管下端插在保温杯中，保温杯内盛有室温水，变压器油温度用0-50℃(0.1℃)的水银温度计测量为简朴起见，本测验也可把功率三极管置于干井恒温器温度中，开启仪器的加热开关，按温度复位按钮，让仪器探测出环境温度，然后调理恒温操纵到与室温一致即可 2、在室温处境下，测量三极管放射极与基极之间电压U1和相应电压U2在常温下U1的值约从0.3V至0.42V范围每隔0.01V测一点数据，约测10多数据点，至U2值达成饱和时(U2值变化较小或根本不变),终止测量。
在记数据开头和记数据终止都要同时记录变压器油的温度?，取温度平均值? 3、变更干井恒温器温度，待PN结与油温湿度一致时，重复测量U1和U2的关系数据，并与室温测得的结果举行对比 4、把(2)式改为U2?RI0eeU/KTbU，运用最小二乘法，将不同温度下采集的U1～U2关 系数据代入指数回归函数U2?ae关系式中，算出指数函数相应的a和b的最正确值a0和 ?23b0，那么由e／KT=b0、RI0?a0两式分别计算出玻尔兹曼常数K值和弱电流I0值，并说明 玻尔兹曼分布的物理的含义已知玻尔兹曼常数公认值K0?1.381?10J/K， 由此进 而计算出玻尔兹曼常数测量的结果的百分误差 5、曲线拟合求阅历公式： 将测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根本函数，运用最 专业学识共享 WORD格式可编辑 小二乘法确定出最正确函数及其表达式 （二）Ube?T关系测定，求PN结温度传感器灵敏度S，计算硅材料0K时近似禁带宽度Ego值（此项内容为选做内容）。
R1V1RTR2R43VV2RV2图3 图4 1、测验线路如图3所示，测温电路如图4所示其中数字电压表V2通过双刀双向开关，既作测温电桥指零用，又作监测PN结电流，保持电流I＝100μA用 2、通过调理图3电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流I＝100μA同时用电桥测量铂电阻RT的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，可得恒温器的实际湿度从室温开头每隔5℃－10℃测确定Ube值（即V1）与温度?（℃）关系，求得Ube?T关系至少测6点以上数据） 3、用最小二乘法对Ube?T关系举行直线拟合，求出PN结测温灵敏度S及近似求得温度为0K时硅材料禁带宽度Ego 【留神事项】 1、数据处理时，对于分散电流太小(起始状态)及分散电流接近或达成饱和时的数据，在处理数据时应删去，由于这些数据可能偏离公式(2) 2、务必观测恒温装置上温度计读数，待TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录U1和U2数据 3、用本装置做测验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃若要在-120℃-0℃温度范围内做测验，务必有低温恒温装置。
4、由于各公司的运算放大器(LF356)性能有些差异，在换用LF356时，有可能同台仪器达成饱和电压U2值不一致 5、本仪器电源具有短路自动养护，运算放大器若 15V接反或地线漏接，本仪器也有养护装置，一般处境集成电路不易损坏请勿将二极管养护装置去除 【数据记录及处理】 1、Ic?Ube关系测定，曲线拟合求阅历公式，计算玻尔兹曼常数 室温条件下：初温?1 = ℃，末温?2 = ℃，?= ℃ 原始数据：表1(U1的起、终点要以。