pn结特性测量.doc

pn 结特性测量 PN 结的伏安特性与温度特性测量半导体 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 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。 6 、学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法。【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。【实验原理】 1、 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: I?I0eeU/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, kT/e ≈ ,而 PN 结正向压降约为十分之几伏,则 eeU/KT??>>1,(1) 式括号内-1 项完全可以忽略,于是有: I?I0eeU/KT (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 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 e eU/2KT ; eU/mKT [3] 表面电流,它是由 Si和 SiO2 界面中杂质引起的,其值正比于 e , 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 结扩散电源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,