PN结物理特性及玻尔兹曼常数测量.doc

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基础内容之一。使用本实验的仪器用物理实验方法,测量PN结扩散电流与电压关系,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。本实验的仪器同时提供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。【实验目的】1、在室温时,测量PN结扩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。【实验仪器】FD-PN-4型PN结物理特性综合实验仪(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。UFD-PN-4型PN节物理特性测定仪【实验原理】(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-电压关系满足:eUI?I0?e/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,/e?,而PN结正向压降约为十分之几伏,则e以忽略,于是有:kTeUI?I0e/KTeU/KT>>1,(1)式括号内-1项完全可(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)1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关系虽然能较好满足指数关系,但求得的常数k往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流,还有其它电流。一般它包括三个部分:[1]扩散电流,它严格遵循(2)式;[2]耗尽层复合电流,它正比于eeU/2KT;[3]表面电流,它是由Si和SiO2界面中杂质引起的,其值正比于eeU/mKT,一般m>2。因此,为了验证(2)式及求出准确的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,因为此时集电极与基极短接,集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流主要在基极出现,测量集电极电流时,将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管(TIP31型),实验中又处于较低的正向偏置,这样表面电流影响也完全可以忽略,所以此时集电极电2、弱电流测量-6-11过去实验中10A-10A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-910A/分度,但有许多不足之处。如十分怕震,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劳变形产生不回零点及指示差变大。使用和维修极不方便。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