PN结物理特性及玻尔兹曼常数测量1.doc

PNJ-IIPN结物理特性测定仪使用说明书半导体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。【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、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。5、线性电阻伏安特性测量【实验仪器】PNJ-IIPN结物理特性测定仪图片(如下图)【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:(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,是电子的电荷量,U为PN结正向压降。由于在常温(300K)时,/≈,而PN结正向压降约为十分之几伏,则>>1,(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I-U关系值,则利用(1)式可以求出/。在测得温度T后,就可以得到/常数,把电子电量作为已知值代入,即可求得玻尔兹曼常数。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;[3]表面电流,它是由Si和SiO2界面中杂质引起的,其值正比于,一般m>2。因此,为了验证(2)式及求出准确的/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(TIP31C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,所以此时集电极电流与结电压将满足(2)式。实验线路如图1所示。图1 PN结扩散电流与结电压关系测量线路图2、弱电流测量过去实验中10-6A-10-11A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10-9A/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,具有输入阻抗低,电流灵敏度高。温漂小、线性好、设计制作简单、结构牢靠等优点,因而被广泛应用于物理测量中。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。其中虚线框内电阻Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。由图2可,运算放大器的输入电压U0为:U0=-K0Ui                     (3)图2 电流-电压变换器式(3)中Ui为输入电压,K0为运算放大器的开环电压增益,即图2中电阻Rf∞时的电压增益,Rf称反馈电阻。因为理想运算放大器的输入阻抗ri∞,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有:(4)由(4)式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Zr为:(5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流Is输出电压U0之间得关系式,即:(6)由(6)式只要测得输出电压U0和已知Rf值,即可求得IS值。以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论Zr和IS值得大小。对LF356运放的开环增益K0=2×105,输入阻抗ri≈1012Ω。,则由(5)式可得:若选用四位半量程200mV数字电压表,,那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为:由此说明,用集成运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流,具有输入阻抗小、灵敏度高的优点。综合(a)(b)得,利用集成运算放大器组成电流-电压变换器,将弱电流的测量改成电压测量,利用硅三极管(TIP31型)代替二极管,有效实现集电极电流中仅仅是扩散电流。【实验内容与步骤】(一)关系测定,并进行曲线拟合求经验公式,计算玻尔兹曼常数。1、。图中U1为三位半数字电压表,U2为四位半数字电压表,TIP31型为带散热板的功率三极管,调节电压的分压器为多圈电位器。2、在室温情况下,测量三极管发射极与基极之间电压U1和相应电压U2。