PN结学物理特性及玻尔兹曼常数测量.doc

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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 一电压变换器测量10-6A至10-8A的弱电流。
4、 测量PN结结电压Ube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）- 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。
FD-PN-4型PN节物理特性测定仪
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PN结的正向电流-电压
（1）
■ eU/KT
I。e
kT/，而PN结正向压降约为十分之几伏，则 以忽略，于是有：
■ eU/KT
I oe
也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。
eeU/KT >>1,（1）式括号内-1项完全可
（2）
若测得PN结I-U关系值，则利用（1）
【实验原理】
1. 测量三极管发射极与基极电压 U1和集电极与基极电压 U2之间的关系
（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, 关系满足：
式（1）中I是通过PN结的正向电流，Io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，
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 ⑵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