FD PN 4PN结物理特性测定仪使用说明070418修订.docx
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FDPN4PN结物理特性测定仪使用说明070418修订
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仪器使用说明
TEACHER'SGUIDEBOOK
FD-PN-4
PN结物理特性测定仪
中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司
ShanghaiFudanTianxinScientific_EducationInstrumentsCo.,Ltd.
-1-
FD-PN-4PN结物理特性测定仪
一、概述
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。
本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beU与热力学温度T的关系,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。
本仪器物理实验内容丰富、概念清晰、稳定可靠,结构设计合理、测量结果准确度高。
本仪器主要用于大专院校普通物理实验以及设计性研究性实验。
二、仪器简介
FD-PN-4型PN结物理特性测定仪主要由直流电源、数字电压表、实验板以及干井测温控温装置组成,如图1所示。
图1PN结物理特性测定仪实验装置
三、技术指标
1.直流电源
±15V直流电源一组,即[+15V—0V(地)—-15V];
1.5V直流电源一组
2.数字电压表
三位半数字电压表量程0—2V
四位半数字电压表量程0—20V
3.实验板
-2-
由运算放大器LF356、印刷引线、接线柱、多圈电位器组成。
TIP31型三极管外接。
4.恒温装置
干井式铜质可调节恒温
恒温控制器控温范围,室温至80℃;控温分辨率0.1℃;
5.测温装置
铂电阻及电阻组成直流电桥测温0℃(?
?
00.1000R)。
四、实验项目
1.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.较精确地测量玻尔兹曼常数。
(误差一般小于2%)
3.学习应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beU与温度关系,求出结电压随温度变化的灵敏度。
5.近似求得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。
五、注意事项
1.实验时接±12V或±15V,但不可接大于15V电源。
±15V电源只供运算放大器使用,请勿作其它用途。
2.运算放大器7脚和4脚分别接+15V和-15V,不能反接,地线必须与电源0V(地)相接(接触要良好)。
否则有可能损坏运算放大器,并引起电源短路。
一旦发现电源短路(电压明显下降),请立即切断电源。
3.要换运算放大器必须在切断电源条件下进行,并注意管脚不要插错。
元件标志点必须对准插座标志槽口。
4.请勿随便使用其它型号三极管做实验。
例TIP31三极管为NPN管,而TIP32型三极管为PNP管,所加电压极性不相同。
5.陶瓷介质铂电阻请勿让学生随便取出,以免损坏陶瓷介质及拉断引线。
6.必须经教师检查线路接线正确,学生才能开启电源,实验结束应先关电源,才能拆除接线。
-3-
半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验
(本实验讲义由复旦大学基础物理实验中心协助提供)
【实验目的】
1.在室温时,测量PN结电流与电压关系,证明此关系符合指数分布规律。
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-电压变换器测量弱电流。
4.测量PN结电压与温度的关系,求出该PN结温度传感器的灵敏度。
5.计算在0K温度时,半导体硅材料的近似禁带宽度。
【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:
?
?
1)/exp(0?
?
kTeUII
(1)
式中I是通过PN结的正向电流,0I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,ekT/≈0.026v,而PN结正向压降约为十分之几伏,则)/exp(kTeU>>1,
(1)式括号内-1项完全可以忽略,于是有:
)/exp(0kTeUII?
(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kTe/。
在测得温度T后,就可以得到ke/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)耗尽层符合电流,它正比于)2/exp(kTeU;3)表面电流,它是由硅和二氧化硅界面中杂质引起的,其值正比于)/exp(mkTeU,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
-4-
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。
1LF357+15-15VV101.5TIP3TIP3cLF3561235
图1PN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610?
A-1110?
A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910?
A/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。
RfIsKo-+U0UiZrIs
图2电流-电压变换器
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rZ为电流-电压变换器等效输入阻抗。
由图2,运算放大器的输入电压0U.
-5-
为:
iUKU00?
?
(3)
式(3)中iU为输入电压,0K为运算放大器的开环电压增益,即图4中电阻?
?
fR时的电压增益,fR称反馈电阻。
因为理想运算放大器的输入阻抗?
?
ir,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。
因而有:
firiSRKURUUI/)1(/)(00?
?
?
?
(4)由(4)式可得电流-电压变换器等效输入阻抗rZ为
00/)1/(/KRKRIUZffsir?
?
?
?
(5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流zI输出电压0U之间得关系式,即:
fffsRURKURKKUI//)/11(/)1(00000?
?
?
?
?
?
?
?
(6)由(6)式只要测得输出电压0U和已知fR值,即可求得sI值。
以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论rZ和sI值的大小。
对LF356运放的开环增益50102?
?
K,输入阻抗?
?
1210ir。
若取fR为1.00?
M,则由(5)式可得:
?
?
?
?
?
?
?
5)1021/(1000.156rZ
若选用四位半量程200mV数字电压表,它最后一位变化为0.01mV,那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为:
AVIs1163min101)101/(1001.0)(?
?
?
?
?
?
?
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。
3.PN结的结电压beU与热力学温度T关系测量。
当PN结通过恒定小电流(通常电流AI?
1000?
),由半导体理论可得beU与T近似关系:
-6-
gobeUSTU?
?
(5)
式中S≈-2.3CmVo/为PN结温度传感器灵敏度。
由goU可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度goE=goqU。
硅材料的goE约为1.20eV。
【实验仪器】
1.直流电源、数字电压表、温控仪组合装置(包括±15V直流电源、0-1.5V及3.0V直流电源、三位半数字电压表、四位半数字电压表、温控仪)。
2.TIP31型三极管(带三根引线)1个,3DG三极管1个。
3.干井铜质恒温器(含加热器)及小电风扇各1个。
4.配件:
LF356运算放大器各2块,TIP31型三极管1只,引线9根;用户自配:
ZX21型电阻箱1只。
【实验过程】
1.becUI?
关系测定,并进行曲线拟合求经验公式,计算玻尔兹曼常数。
(1UUbe?
)
1)实验线路如图1所示。
图中1U为三位半数字电压表,2U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,为保持PN结与周围环境一致,把TIP31型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中,变压器油温度用铂电阻进行测量。
2)在室温情况下,测量三极管发射极与基极之间电压1U和相应电压2U。
在常温下1U的值约从0.3V至0.42V范围每隔0.01V测一点数据,约测10多数据点,至2U值达到饱和时(2U值变化较小或基本不变),结束测量。
在记数据开始和记数据结束都要同时记录变压器油的温度?
,取温度平均值?
。
3)改变干井恒温器温度,待PN结与油温湿度一致时,重复测量1U和2U的关系数据,并与室温测得的结果进行比较。
4)曲线拟合求经验公式:
运用最小二乘法,将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数(它们是物理学中最常用的基本函数),然后求出衡量各回归程序好坏的标准差?
。
对已测得的1U和2U各对数据,以1U为自变量,2U作因变量,分别代入:
(1)线性函数
-7-
baUU?
?
12;
(2)乘幂函数baUU12?
;(3)指数函数)exp(12bUaU?
。
求出各函数相应的a和b值,得出三种函数式,究竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验。
方法是:
把实验测得的各个自变量U1分别代入三个基本函数,得到相应因变量的预期值*2U,并由此求出各函数拟合的标准差:
?
=?
?
?
niiinUU12*/)(
式中n为测量数据个数,iU为实验测得的因变量,*iU为将自变量代入基本函数的因变量预期值,最后比较哪一种基本函数为标准差最小,说明该函数拟合得最好。
5)计算ke/常数,将电子的电量作为标准差代入,求出玻尔兹曼常数并与公认值进行比较。
2.TUbe?
关系测定,求PN结温度传感器灵敏度S,计算硅材料0K时近似禁带宽度goE值。
V1V23VR1R2RTR4V2R
图3图4
1)实验线路如图3所示,测温电路如图4所示。
其中数字电压表2V通过双刀双向开关,既作测温电桥指零用,又作监测PN结电流,保持电流AI?
100?
用。
2)通过调节图3电路中电源电压,使上电阻两端电压保持不变,即电流AI?
100?
。
同时用电桥测量铂电阻TR的电阻值,通过查铂电阻值与温度关系表,可得恒温器的实际湿度。
从室温开始每隔5C?
-10C?
测一点beU值(即1V)与温度?
(C?
)关系,求得TUbe?
关系。
(至少测6点以上
-8-
数据)
3)用最小二乘法对TUbe?
关系进行直线拟合,求出PN结测温灵敏度S及近似求得温度为0K时硅材料禁带宽度goE。
【实验数据】(注:
以下数据不作为仪器验收标准,仅供实验时参考)
1.becUI?
关系测定,曲线拟合求经验公式,计算玻尔兹曼常数。
室温条件下:
1?
=25.90C?
,2?
=26.10C?
,?
=26.00C?
表1
U1/V0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U2/V0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733U1/V0.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440U2/V
1.094
1.575
2.348
3.495
5.151
7.528
11.325
以1U为自变量,2U为因变量,分别进行线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合,结果见表21)线性函数baUU?
?
12;
(2)乘幂函数baUU12?
;(3)指数函数)exp(12bUaU?
表2
线性回归U2=aU1+b乘幂回归U2=aU1b
指数回归U2=exp(bU1)
nU1/VU2/VU2*/V(U2-U2*)2/V2U2*/V(U2-U2*)2/V2U2*/V(U2-U2*)2/V
2
10.3100.073-1.9444.070.0828.1×10-5
0.0721.0×10-6
20.3200.104-1.2641.870.1141.0×10-4
0.1064.0×10-6
30.3300.160-0.5840.550.16000.15616×10-6
40.3400.2300.0960.020.2279.0×10-60.230050.3500.3370.7750.190.3251.44×10-4
0.3394.0×10-660.3600.4991.4550.910.4689.61×10-30.5001.0×10-6
70.3700.7332.1351.970.6802.81×10-3
0.73825×10-6
8
0.380
1.094
2.815
2.96
0.999
9.02×10-3
1.087
49×10-6
-9-
90.3901.5753.495
3.691.4838.46
×10-3
1.603
7.810
-4
10
0.4002.3484.1753.342.2251.51×10-22.3621.96×10-4
110.4103.4954.8551.853.3791.34×10-23.4821.69×10-4
120.4205.1515.5350.155.1962.02×10-2
5.1333.24×10-4
130.4307.5286.2151.728.0970.327.5661.44×
?
/TRC0/?
KT/VUbe/281.20.6440.6470.631
103.2106.0107.0
8.014.917.7
288.1290.9
10-3
14
0.440
11.325
6.894
19.63
12.795
2.1611.152
0.029δ1.8
0.420.048r0.84270.9986
0.9999
a、b
a=67.99,b=-23.02
a=1.56×10,b=10.37a=4.47×10,b=38.79
由表2可知,指数回归拟和的最好,也就说明PN结扩散电流-电压关系遵循指数分布规律。
以下计算玻尔兹曼常数:
由表2数据得
bTke?
/=38.79×(273.15+26.00)=1.160410?
J/CK
则
k/eek?
=41910160.110602.1?
?
?
=KJ/1038.123?
?
此结果与公认值KJk/10381.123?
?
?
相当一致。
2.电流AI?
100?
时,TUbe?
关系测定,求PN结温度传感器的灵敏度S,计算0K时硅材料的近似禁带宽度goE。
表3TUbe?
关系测定
-10-
109.9111.5115.3119.3122.925.029.038.749.058.7298.2302.2311.9322.2331.90.6150.6050.5840.5630.553
123.5
60.0
333.2
0.531
126.3
67.0
340.2
0.519
129.3
74.9
348.1
0.501
131.9
81.2
354.2
0.495
用casio-3600计算器对TUbe?
数据进行直线拟合得到:
斜率,即传感器灵敏度KmVS/30.2?
?
;
截距goU=1.30K(0K温度);
相关系数r=0.995;
eUEgo?
=1.30eV
硅在0K温度时禁带宽度公认值goE=1.205电子伏特,上述结果半定量地反映了此结果。
由于PN结温度传感器的线性范围为-50℃--150℃,在低温时,非线性项将不可完全忽略,所以本实验测得goU=1.30V是合理的
【参考资料】
1.沈元华、陆申龙主编.基础物理实验.北京:
高等教育出版社2003.12:
193-1962.吕斯骅段家忯主编.基础物理实验.北京:
高等教育出版社2003.3:
307
3.徐华伟谭春光朱亚辉陆申龙低温半导体PN结的物理特性及玻尔兹曼常数的测量,学物理实验,1999,12
(2):
1-3
4.陆申龙曹正东低温条件下半导体材料禁带宽度的测量,大学物理第15卷第10期1996,10:
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上海复旦天欣科教仪器有限公司
FD-PN-4型PN结物理特性测定仪
装箱清单
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日期:
年月日
编号名称数量备注
1PN结物理特性综合实验仪一套
2PN结物理特性综合实验仪说明书一本
3TIP31型三极管(带三根引线)一只
4恒温器一套
5长连接线(5黑、6红)十一根
63DG6(基极和集电极短路)一只
7LF356运算放大器二只配件
8TIP31型三极管一只配件
9
10
11
12
13
14
15
16
-12-
温度0
1(℃)-3088.0487.64-2092.0491.64-1098.03
95.63-0100.0099.600100.00100.4010103.96104.3620107.91108.3130111.85112.2540115.78116.1750119.70120.0960123.60123.99
2
3
487.2486.8486.4491.2490.8490.4495.2394.8394.4399.21
98.81
98.41100.79101.19101.59104.75105.15105.54108.70109.10109.49112.64113.03113.43116.57116.96117.35120.48120.87121.26124.38124.77125.16
5
6电阻值(Ω)86.0485.6390.0489.6494.0393.6398.01
97.62101.98102.38105.94106.33109.88110.28113.82114.21117.74118.13121.65122.04125.55125.94
785.2389.2493.2497.22102.78106.73110.67114.60118.52122.43126.33
70127.49127.88128.27128.66129.05129.44129.82130.2180131.37131.76132.15132.54132.92133.31133.70134.0890135.24135.63136.02136.40136.79137.17137.56137.94100139.10139.49139.87140.26140.64141.02141.41141.79110142.95143.33143.71144.10144.48144.86145.25145.63120146.78147.16147.55147.93148.31148.69149.07149.46130150.60150.98151.37151.75152.13152.51152.89153.27140154.41154.79155.17155.55155.93156.31156.69157.07150158.21158.59158.97159.35159.73160.11160.49160.86160162.00162.38152.76133.13163.51163.89164.27164.64170165.78166.16166.53136.91167.28167.65168.03168.41180169.54169.91170.29170.57171.04171.42171.79172.17190173.29173.67174.04174.41174.79175.16175.54175.91200177.03177.40177.78178.15178.52178.90179.27179.64210180.76181.13181.51131.88182.25182.62182.99183.36220184.48184.85185.22135.59185.96186.33185.70187.07230188.18188.55188.92139.29189.66190.03190.40190.77240191.88192.24192.61132.98193.35193.72194.09194.4525