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: 20##-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。
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:
(6)
只要测得输出电压和已知值,即可求得值。
3、PN结的结电压与热力学温度关系测量。
当PN结通过恒定小电流(通常),由半导体理论可得与的近似关系:
(7)
式中为PN结温度传感器灵敏度。由可求出温度0时半导体材料的近似禁带宽度。硅材料的约为1.20。
【实验内容】
(一)关系测定,并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数()
1、在室温情况下,测量三极管发射极与基极之间电压和相应电压。的值约从至范围,每隔测一相应电压的数据,至达到饱和(变化较小或基本不变)。在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度,取温度平均值。
2、改变干井恒温器温度,待PN结与油温一致时,重复测量和的关系数据,并与室温测得的结果进行比较。
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。求出相应的和值。
4、玻尔兹曼常数。利用,把电子电量作为已知值代入,求出并与玻尔兹曼常数公认值()进行比较。
(二)关系测定,计算硅材料0时近似禁带宽度值。
1、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。同时用电桥测量铂电阻的电阻值,得恒温器的实际温度。从室温开始每隔5℃-10℃测一组值,记录。
2、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好坏的标准差。对已测得的和各对数据,以为自变量,作因变量,分别代入:(1)线性函数;(2)乘幂函数;(3)指数函数,求出各函数相应的和值,得出三种函数式,究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分别代入三个基本函数,得到相应因变量的预期值,并由此求出各函数拟合的标准差:
用最小二乘法对关系进行直线拟合,求出PN结测温灵敏度及近似求得温度为0时硅材料禁带宽度。
【注意事项】
1. 数据处理时,对于扩散电流太小(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),才能记录和数据。
3. 本实验,TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。
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、关系测定。 室温条件下: =25.90℃, =26.10℃,=26.00℃
2、电流I=100时,关系测定。
【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,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: (P 27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:
2、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。
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。
e/kT=36.401lnI0Rf=-14.099r=0.99875
T=300K,波尔兹曼常数k=1.47×10-23
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