PN结物理特性及玻尔兹曼常数测量样本.doc

PN结物理特征及玻尔兹曼常数测量半导体PN结物理特征是物理学和电子学关键基础内容之一。使用本试验仪器用物理试验方法,测量PN结扩散电流和电压关系,证实此关系遵照指数分布规律,并较正确地测出玻尔兹曼常数(物理学关键常数之一),使学生学会测量弱电流一个新方法。本试验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结结电压和热力学温度T关系,求得该传感器灵敏度,并近似求得0K时硅材料禁带宽度。【试验目标】1、在室温时,测量PN结扩散电流和结电压关系,经过数据处理证实此关系遵照指数分布规律。2、在不一样温度条件下,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弱电流。4、测量PN结结电压和温度关系,求出结电压随温度改变灵敏度。5、计算在0K时半导体(硅)材料禁带宽度(选作)。6、学会用最小二乘法拟合数据。【试验仪器】FD-PN-4型PN结物理特征综合试验仪(以下图),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(基极和集电极已短接,有二根引线)一只,铂电阻一只。FD-PN-4型PN节物理特征测定仪【试验原理】(a)PN结伏安特征及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知,PN结正向电流-电压关系满足:(1)式(1)中I是经过PN结正向电流,I0是反向饱和电流,在温度恒定是为常数,T是热力学温度,是电子电荷量,U为PN结正向压降。因为在常温(300K)时,/≈,而PN结正向压降约为十分之几伏,则>>1,(1)式括号内-1项完全能够忽略,于是有:(2)也即PN结正向电流随正向电压按指数规律改变。若测得PN结I-U关系值,则利用(1)式能够求出/。在测得温度T后,就能够得到/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,二极管正向I-U关系即使能很好满足指数关系,但求得常数往往偏小。这是因为经过二极管电流不只是扩散电流,还有其它电流。通常它包含三个部分:[1]扩散电流,它严格遵照(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界面中杂质引发,其值正比于,通常m>2。所以,为了验证(2)式及求出正确/常数,不宜采取硅二极管,而采取硅三极管接成共基极线路,因为此时集电极和基极短接,集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流关键在基极出现,测量集电极电流时,将不包含它。本试验中选择性能良好硅三极管(TIP31型),试验中又处于较低正向偏置,这么表面电流影响也完全能够忽略,所以此时集电极电流和结电压将满足(2)式。试验线路图1所表示。图1 PN结扩散电流和结电压关系测量线路图2、弱电流测量过去试验中10-6A-10-11A量级弱电流采取光点反射式检流计测量,该仪器灵敏度较高约10-9A/分度,但有很多不足之处。如十分怕震,挂丝易断;使用时稍有不慎,光标易偏出满度,瞬间过载引发引丝疲惫变形产生不回零点及指示差变大。使用和维修极不方便。多年来,集成电路和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,含有输入阻抗低,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,所以被广泛应用于物理测量中。LF