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1、半导体热电特性研究实验报告实验名称： 半导体热电特性综合实验姓 名 学 号 班 级 评 分桌 号 教 室 第一实验楼609 实验日期 20 年 月 日 节一、实验目的：（实验前，必须要熟悉EXCEL计算功能！否则，难以实验。）1.了解半导体热敏电阻、pn结电输运的微观机制。2.测量半导体热敏电阻的电压-温度曲线；半导体p-n 结的电压-温度曲线；3.了解半导体制冷电堆的制冷原理4.学习用最小二乘法拟合热敏电阻的温度系数（热敏指数）和p-n结的禁带宽度。5.了解计算机实时采集、应用EXCEL处理实验数据（自己提前学习）；二、实验仪器1 通讯线接口 2 温度显示窗口 3 电压显示窗口 4 制冷电流
2、表 5 按键6 测量线接口 7 温控线接口 8 指示灯 9 样品池 10 档位选择开关注1. 正常开机后进入空闲状态，温度显示屏显示测量室的温度t (单位：)，电压显示屏显示当前被测样品在该温度下的电压降U(单位：mV)，被测样品的电阻值可用RU/I求出，I是被测样品通过的恒定电流，实验用仪器已经调整在20A。注2. 档位选择开关选为“V” 时电压窗口显示样品（硅热敏电阻）两端电压值；选为“V” 时电压窗口显示样品（pn 结）两端电压值与基准电压的差值，基准电压已经调整为380mV，比如：窗口显示90 mV，则样品（pn 结）两端实际电压值是470 mV。）三、实验原理1 半导体热敏电阻的热电
3、特性（1）半导体材料的热电特性：其热电特性非常显著，因此，常用作温度传感器的材料。一般而言，在较大的温度范围内，半导体都具有负的电阻温度系数。半导体的导电机制比较复杂，起电输运作用的载流子为电子或空穴。载流子的浓度受温度的影响很大，因此半导体的电阻率受温度影响也很大。随着温度的升高，热激发的载流子数量增加，导致电阻率减小，因此呈现负的温度系数的关系。但是实际应用的半导体，往往通过搀杂工艺来提高半导体的性质，这些杂质原子的激发，同样对半导体的电输运性能产生很大的影响。同时在半导体中还存在晶格散射、电离杂质散射等多种散射机制存在，因此半导体具有非常复杂的电阻温度关系，往往不能用一些简单的函数概括，
4、但在某些温度区间，其电阻温度关系可以用经验公式来概括，如本实验中用的半导体热敏电阻，它的阻值与温度关系近似满足下式： （1）式中R0为T0时的电阻（初值）， R是温度为T时的电阻，T为绝对温度，B为温度系数（热敏指数）。B在工作温度范围内并不是一个严格的常数，但在一定的温度范围内，它的变化不大（我们实验所选测量范围就是在这个范围内）。（2）用最小二乘法确定公式（1）中的B、 R0值：将（1）式取对数得到： （2）本实验采用最小二乘法确定经验公式，由直线拟合，得到B 和C 的值以及R0值请写出用最小二乘法进行直线拟合时，B 和C 值以及线性相关系数的计算公式：B C R0 r= （线性相关系数）
5、 2. p-n结的热电特性（1）p-n结的热电特性 pn 结构成的二极管和三极管的伏安特性对温度有很大的依赖性，利用这一点可以制造pn 结温度传感器和晶体管温度传感器，本实验用的测温元件为二极管温度传感器。二极管的正向电流I、电压U 满足下式： （3）其中q 为电子电荷；k 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；Is 为反向饱和电流（和pn 结材料的禁带宽度以及温度等有关），可以证明 （4）其中C 是与结面积、杂质浓度等有关的常数；r 也是常数；U0 为绝对零度时pn 结材料的导带底和价带顶间的电势差。将(6)式代入(5)式，两边取对数可得 （5）（2）由最小二乘法确定公式（7）中的U0及热电系数由
6、于公式（5）中的非线性项 相对甚小，可以忽略.因此，（5）式可写成： （6）为负值，如=-2.3mV/C 所代表的含义为： 。这样通过测量不同温度时二极管两端的正向电压可以测得温度，这正是p-n 结传感器的测温原理。通过实验可以测量值，请写出用最小二乘法进行直线拟合时，和U0值的计算公式：=U0=由U0也可求出半导体材料的禁带宽度（q为基本电荷值：1.60210-19(C)）四实验内容：1. 测热敏电阻t-s（温度-时间）、v-t（电压-温度）曲线，具体做法如下： 检查并确认仪器和样品池的连接线、仪器和计算机的通讯线已经连接好。启动计算机。 将档位选择开关拨到“V”处，打开仪器的电源开关（在仪
7、器背面），面板上的温度和电压显示窗口应显示当前样品池的温度和样品的电压值。启动计算机面板上“JZ-1V25” 计算程序atd.exe； 点击“设置”按钮，设置“开始温度”和“结束温度”； 点击“开始”按钮，仪器进入工作状态，此时，仪器通过半导体制冷、加温机制，将样品自动调整温度到“开始温度”，然后加温，测量时，样品温度每增加1，机器的“运行”灯闪动一下并伴一声蜂鸣； 到达所设“结束温度”，测量结束并自动停止。 选择文件菜单下的“导出数据”，将实验数据保存到一个EXCEL文件中。2. 打开此EXCEL文件，根据热敏电阻v-t（电压-温度）各数值，进行数据拟合。要求最终计算出热敏电阻的温度系数B（
8、热敏指数）及常数C，同时计算线性相关系数r；3. 将档位选择开关拨到“V”处，测p-n 结v-t（电压-温度）曲线。具体做法同步骤1。4. 导出数据后，在EXCEL中进行处理；要求最终计算出、U0并得出禁带宽度Eg0。将所得的Eg0 与公认值1.21 eV比较，求其相对百分差 五实验数据处理： (用计算机处理数据，将部分数据和结果填入下面表中)1.热敏电阻热电特性研究(只记录以下三个代表数据即可)123t ()20()50()70()T (K)1/T(1/T)2U(mV)R（）lnR B= C= r= 此材料的经验公式：123t()20()50()70()T(K)U(mV)U(mV)TUT2U22. pn结温度电压特性研究 = U0= 此材料的经验公式：材料的禁带宽度： （J） （eV） 六、预习题1、请写出你所了解的半导体材料的热电特性2、写出用最小二乘法求一元线性回归的基本思想。七、课后作业题 若本实验没有计算机，你如何测出热敏电阻的温度系数B？石家庄铁道大学物理实验中心 第4页 共5页
