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1、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：XXXX，型号：XXX(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P
2、N结的正向电流-电压关系满足：I 二 I。exp(eU / kT) -1(1)当exp (eU / kT) 1时，(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：I 二 I。exp(eU / 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，则利用(1)式可以求出 e/kT。在测得温度T后，就可以得到e/k，把电子电量e作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。 实验线路如图1所示。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。0(3)U 二一KU0 0 i式中U为输入电压，K为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻
3、Rf Ta时的电压增益（Rf称反馈电阻）。因而有：su U 0i 0RfW+ K )Rf(4)Rf1 + K 0由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Zx为UiI ” I s由式和式可得电流-电压变换器输入电流Is与输出电压U 之间的关系式即:s ZRfrf只要测得输出电压和已知Rf值，即可求得Is值。3、PN结的结电压U与热力学温度T关系测量。be当PN结通过恒定小电流（通常I = 100卩A），由半导体理论可得U与T的近似关系: be(7)U = ST + Ube go式中S = -2.3mV / oC为PN结温度传感器灵敏度。由U 可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽 go度E =
4、 qU。硅材料的E约为1.20eV。go gogo实验内容】（一） I -U关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（U = U）c bebe 11、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压U和相应电压U。U的值约从0.30V至0.50V1 2 1范围，每隔0.01V测一相应电压U的数据，至U达到饱和（U变化较小或基本不变）。在记录数据开始2 2 2和结束时都要记录下变压器油的温度0，取温度平均值g-。2、改变干井恒温器温度，待PN结与油温一致时，重复测量U和U的关系数据，并与室温测得的结12果进行比较。3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数U = a exp（bU
5、）。求出相应的a21和 b 值。4、玻尔兹曼常数k。利用b = e / kT,把电子电量e作为已知值代入，求出k并与玻尔兹曼常数公认值（k 二 1.381x10-23 ）进行比较。0（二） U -T关系测定，计算硅材料0K时近似禁带宽度E值。be go1、通过调节图3电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流I二100卩A。同时用电桥测量铂电阻R的电阻值，得恒温器的实际温度。从室温开始每隔5C 10C测一组U值，记录。Tbe2、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三 种常用的基本函数（它们是物理学中最常用的基本函数），然后求出衡量各回归程序
6、好坏的标准差。对已 测得的U和U各对数据，以U为自变量，U作因变量，分别代入：（1）线性函数U = aU + b ； （2）乘1 2 1 2 2 1幕函数U = aUb ； （3）指数函数U = a-exp（bU ），求出各函数相应的a和b值，得出三种函数式，究2 1 2 1竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验。办法是：把实验测得的各个自变量U分别代入三个基1本函数，得到相应因变量的预期值U *，并由此求出各函数拟合的标准差：2 =用最小二乘法对U - T关系进行直线拟合，求出PN结测温灵敏度S及近似求得温度为0 K时硅材料be禁带宽度E 。go【注意事项】1. 数据处理时，对于扩散电流
7、太小（起始状态）以及扩散电流接近或达到饱和时的数据，在处理数据 时应删去，因为这些数据可能偏离公式（2）。2. 必须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U数据。23. 本实验， TIP31 型三极管温度可采用的范围为 0-50C。4. 仪器具有短路自动保护，一般情况集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。【数据记录】（数据仅供参考）1、I U 关系测定。室温条件下： =25.90C， =26.10C， =26.00Ccbe12U (V)10.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U (V)20.0730.
8、1040.1600.2300.3370.4990.733U (V)10.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440U (V)21.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3252、电流I = 100uA时，U -T关系测定。 beR / QT9 /0CT / KU / V be103.28.0281.20.644106.014.9288.10.647107.017.7290.90.631109.925.0298.20.615111.529.0302.20.605115.338.7311.90.584119.349.0322.20.563122.95
9、8.7331.90.553123.560.0333.20.531126.367.0340.20.519129.374.9348.10.501131.981.2354.20.495【数据处理】1 、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I = I exp(eU/kT)，所以先要0对公式I = I exp(eU/kT)进行线性化处理。0由于U2和I是线性关系，即I =A*u 2, A可视为微小电流转换为电压的转换系数。首先以$替换I,公式变化为A U = I exp(eU / kT)2 0 1两边取对数：InU = InI + eU /k
10、T -lnA,2 0 1令： lnU2=y,U1=x,lnIo -lnA=,e/Kt=b上式变化为：y二a + bxa = y - bx_根据最小二乘法的计算公式：b = xy x -yr =j xy - x - y(P 27 页)bx2 一 (x)2v( x 2-x2)(y2 - y2)x = 1 工 x , ni i=1x 2 = -!-工 x 2, ni i=1y =-工 y , kii=1xy =丄工xy ni=1列表计算：（双击该表可见计算过程）nU1Uxyx - yx 2y 210.310.0730.31-2.6173-0.811360.09616.85023820.320.104
11、0.32-2.26336-0.724280.10245.12281830.330.160.33-1.83258-0.604750.10893.35835540.340.230.34-1.46968-0.499690.11562.15994750.350.3370.35-1.08767-0.380690.12251.18303160.360.4990.36-0.69515-0.250250.12960.48323270.370.7330.37-0.31061-0.114930.13690.09647880.381.0940.380.0898410.0341390.14440.00807190.3
12、91.5750.390.4542550.177160.15210.206348100.42.3480.40.8535640.3414260.160.728571110.413.4950.411.2513330.5130470.16811.565835120.425.1510.421.6391910.688460.17642.686947130.437.5280.432.0186290.8680110.18494.074865140.4411.3250.442.4270131.0678860.19365.890391平均值0.375-0.110180.0217270.142252.458223b
13、 =38.79688a =-14.659r =0.999972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e/k 二 bT 二 38.79x （273.15 + 26.00）二 1.160x104CK/ J则：= 1 .38 x 10-23J /K了 e1.602 x 10-19k =测 e/k1.160x1042、求PN结温度传感器的灵敏度S, 0K时硅材料禁带宽度E。go用作图法对U -T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 be的灵敏度s = -2.30mV /K，表明PN结是负温度系数的。截距U = 1.30V（0K温度）；则E = eU = 1.30 go go电子伏特。实验结果】1、测量值k 二 1.38x 10-23J/K 与公认值k 二 1.381x10-23 J/K 相当一致。测0k =1.38 x 10-23 J / K实验结果：测 k - k A=测 0 x100% = 0.08% k02、硅在0K温度时禁带宽度公认值E = 1.205电子伏特，上述结果与实际大小基本吻合。由于PN结go温度传感器的线性范围为一50C 150C,在常温时，非
