pn結(jié)物理特性及玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量

1、1PNPN結(jié)物理特性及玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量結(jié)物理特性及玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性是物理學(xué)和電子學(xué)的重要基礎(chǔ)內(nèi)容之一。使用本實(shí)驗(yàn)的儀器用物理實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量PN結(jié)擴(kuò)散電流與電壓關(guān)系，證明此關(guān)系遵循指數(shù)分布規(guī)律，并較精確地測(cè)出玻爾茲曼常數(shù)(物理學(xué)重要常數(shù)之一)使學(xué)生學(xué)會(huì)測(cè)量弱電流的一種新方法。本實(shí)驗(yàn)的儀器同時(shí)提供干井變溫恒溫器和鉑金電阻測(cè)溫電橋，測(cè)量PN結(jié)結(jié)電壓與熱力beU學(xué)溫度T關(guān)系，求得該傳感器的靈敏度，并近似求得0K時(shí)硅材料的禁

2、帶寬度。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、在室溫時(shí)，測(cè)量PN結(jié)擴(kuò)散電流與結(jié)電壓關(guān)系，通過數(shù)據(jù)處理證明此關(guān)系遵循指數(shù)分布規(guī)律。2、在不同溫度條件下，測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)。3、學(xué)習(xí)用運(yùn)算放大器組成電流—電壓變換器測(cè)量106A至108A的弱電流。4、測(cè)量PN結(jié)結(jié)電壓與溫度關(guān)系，求出結(jié)電壓隨溫度變化的靈敏度。beU5、計(jì)算在0K時(shí)半導(dǎo)體（硅）材料的禁帶寬度（選作）。6、學(xué)會(huì)用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)?！緦?shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器】FDPN4型PN結(jié)物理特性綜合實(shí)驗(yàn)儀（如下圖

3、）TIP31c型三極管（帶三根引線）一只，長連接導(dǎo)線11根（6黑5紅），手槍式連接導(dǎo)線10根，3DG6（基極與集電極已短接，有二根引線）一只，鉑電阻一只。FDPN4型PN節(jié)物理特性測(cè)定儀【實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理】1.測(cè)量三極管發(fā)射極與基極電壓U1和集電極與基極電壓U2之間的關(guān)系(a)PN結(jié)伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，PN結(jié)的正向電流電壓關(guān)系滿足：(1)??10??KTeUeII式(1)中I是通過PN結(jié)的正向電流，I0是反向飽

4、和電流，在溫度恒定是為常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，是電子的電荷量，U為PN結(jié)正向壓降。由于在常溫(300K)時(shí)，e≈0.026v，而PN結(jié)正向壓降約為十分之幾伏，則1(1)式括號(hào)內(nèi)1項(xiàng)完全可kTeKTeUe以忽略，于是有：(2)KTeUeII0?也即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測(cè)得PN結(jié)IU關(guān)系值，則利用3流只流經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的通路。因而有：(4)fifiSRKURUUI)1()(00????由（4）式可得電流電壓變換器等效輸入

5、阻抗Zr為：(5)00)1(KRKRIUZffSir????由(3)式和(4)式可得電流電壓變換器輸入電流Is輸出電壓U0之間得關(guān)系式，即：(6)fffsRURKURKKUI000000)11()1(??????由(6)式只要測(cè)得輸出電壓U0和已知Rf值，即可求得IS值。以高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器LF356為例來討論Zr和IS值得大小。對(duì)LF356運(yùn)放的開環(huán)增益K0=2105，輸入阻抗ri≈1012Ω。若取Rf為1.00MΩ，則由(5)

6、式可得：???????5)1021(1000.156rZ若選用四位半量程200mV數(shù)字電壓表，它最后一位變化為0.01mV，那么用上述電流電壓變換器能顯示最小電流值為：AmVIs1161011000.101.0min)(??????由此說明，用集成運(yùn)算放大器組成電流電壓變換器測(cè)量弱電流，具有輸入阻抗小、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。綜合(a)(b)得，利用集成運(yùn)算放大器組成電流電壓變換器，將弱電流的測(cè)量改成電壓測(cè)量，利用硅三極管(TIP31型)代替二

7、極管，有效實(shí)現(xiàn)集電極電流中僅僅是擴(kuò)散電流。(2)PN結(jié)的結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度T關(guān)系測(cè)量（選作選學(xué)內(nèi)容）。beU當(dāng)PN結(jié)通過恒定小電流（通常電流I＝1000μA），由半導(dǎo)體理論可得與T近似關(guān)beU系：（5）gobeUSTU??式中S≈－2.3為PN結(jié)溫度傳感器靈敏度。由可求出溫度0K時(shí)半導(dǎo)體材料的近似禁帶CmVogoU寬度＝。硅材料的約為1.20eV。goEgoqUgoE【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】（一）關(guān)系測(cè)定，并進(jìn)行曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公

8、式，計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)。becUI?1UUbe?1、實(shí)驗(yàn)線路如圖1所示（說明：圖中100Ω的滑動(dòng)變阻器和1.5V電源已經(jīng)接入電路，只是1.5V穩(wěn)壓電源正輸出沒有接地，實(shí)驗(yàn)中只需將1.5V正輸出接地即可）。圖中U1為三位半數(shù)字電壓表，U2為四位半數(shù)字電壓表，TIP31型為帶散熱板的功率三極管，調(diào)節(jié)電壓的分壓器為多圈電位器。為保持PN結(jié)與周圍環(huán)境溫度一致，把功率三極管連同散熱器浸沒在變壓器油管中，油管下端插在保溫杯中，保溫杯內(nèi)盛有室溫水，變壓

9、器油溫度用050℃(0.1℃)的水銀溫度計(jì)測(cè)量。（為簡單起見，本實(shí)驗(yàn)也可把功率三極管置于干井恒溫器溫度中，打開儀器的加熱開關(guān)，按溫度復(fù)位按鈕，讓儀器探測(cè)出環(huán)境溫度，然后調(diào)節(jié)恒溫控制到與室溫相同即可。）2、在室溫情況下，測(cè)量三極管發(fā)射極與基極之間電壓U1和相應(yīng)電壓U2。在常溫下U1的值約從0.3V至0.42V范圍每隔0.01V測(cè)一點(diǎn)數(shù)據(jù)，約測(cè)10多數(shù)據(jù)點(diǎn)，至U2值達(dá)到飽和時(shí)(U2值變化較小或基本不變)結(jié)束測(cè)量。在記數(shù)據(jù)開始和記數(shù)據(jù)結(jié)束都要