FDPN4 PN结物理特性综合实验仪说明书要点.docx
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FDPN4PN结物理特性综合实验仪说明书要点
FD-PN-4
PN结物理特性综合实验仪
(扩散电流
与结电压
关系,结电压
与温度T关系)
说
明
书
上海复旦天欣科教仪器有限公司
中国上海
FD-PN-4型
PN结物理特性综合实验仪
(PN结的伏安特性与温度特性测量仪)
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
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。
本仪器提供实验物理内容丰富、概念清晰、测量结果准确度高。
本仪器主要供大专院校普通物理实验教学用。
仪器稳定可靠,结构设计合理,很适用于教学用。
二、用途
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
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。
三、仪器组成及技术特性
本仪器由四部分组成:
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0—2V一只;
四位半数字电压表0—20V一只;
3、实验板
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℃;控温精度0.01℃;
5、测温装置
铂电阻及电阻组成直流电桥测温0℃(
)。
四、保养和维护
1、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。
五、仪器
六、仪器及附件
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。
半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验介绍
(本实验讲义由复旦大学物理实验教学中心提供)
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。
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=I0[exp(
U/
)-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,
是电子的电荷量,U为PN结正向压降。
由于在常温(300K)时,
/
≈0.026v,而PN结正向压降约为十分之几伏,则exp(
U/
)>>1,
(1)式括号内-1项完全可以忽略,于是有:
I=I0exp(
U/
)
(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]耗尽层符合电流,它正比于exp(
U/2
);[3]表面电流,它是由Si和SiO2界面中杂质引起的,其值正比于exp(
U/m
),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(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3所示。
图3 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,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4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4可,运算放大器的输入电压U0为:
U0=-K0Ui(3)
图4 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4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:
IS=(Ui-UO)/Rf=Ui(I+KO)/Rf(4)
由(4)式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Zr为
Zr=Ui/Is=Rf/(1+K0)≈Rf/K0(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:
IS=-
(1+K0)/Rf=-U0(1+1/K0)/Rf=-U0/Rf(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。
若取Rf为1.00MΩ,则由(5)式可得:
Zr=1.00×106Ω/(1+2×105)=5Ω
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:
(IS)min=0.01×10-3V/(1×106Ω)=1×10-11A
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
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I=1000μA),由半导体理论可得
与T近似关系:
(5)
式中S≈-2.3
为PN结温度传感器灵敏度。
由
可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度
=
。
硅材料的
约为1.20eV。
实验内容:
(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、实验线路如图3所示。
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,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U1和相应电压U2。
在常温下U1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U2值达到饱和时(U2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U1和U2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δ。
对已测得的U1和U2各对数据,以U1为自变量,U2作因变量,分别代入:
(1)线性函数U2=aU1+b;
(2)乘幂函数U2=aU1b;(3)指数函数U2=aexp(bU1)。
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。
办法是:
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U2*,并由此求出各函数拟合的标准差:
δ=
式中n为测量数据个数,Ui为实验测得的因变量,Ui*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
/
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。
(二)
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
值。
图5 图6
1、实验线路如图5所示,测温电路如图6所示。
其中数字电压表V2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I=100μA用。
2、通过调节图5电路中电源电压,使上电阻两端电压保持不变,即电流I=100μA。
同时用电桥测量铂电阻
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5℃-10℃测一定
值(即V1)与温度
(℃)关系,求得
关系。
(至少测6点以上数据)
3、用最小二乘法对
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
。
注意事项:
1、数据处理时,对于扩散电流太小(起始状态)及扩散电流接近或达到饱和时的数据,在处理数据时应删去,因为这些数据可能偏离公式
(2)。
2、必须观测恒温装置上温度计读数,待TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录U1和U2数据。
3、用本装置做实验,TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。
若要在-120℃-0℃温度范围内做实验,必须有低温恒温装置。
4、由于各公司的运算放大器(LF356)性能有些差异,在换用LF356时,有可能同台仪器达到饱和电压U2值不相同。
5、本仪器电源具有短路自动保护,运算放大器若15V接反或地线漏接,本仪器也有保护装置,一般情况集成电路不易损坏。
请勿将二极管保护装置拆除。
实验数据例:
1、
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:
=25.90℃,
=26.10℃,
=26.00℃
表1
U1/V
0.310
0.320
0.330
0.340
0.350
0.360
0.370
U2/V
0.073
0.104
0.160
0.230
0.337
0.499
0.733
U1/V
0.380
0.390
0.400
0.410
0.420
0.430
0.440
U2/V
1.094
1.575
2.348
3.495
5.151
7.528
11.325
以U1为自变量,U2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2:
表2
线性回归U2=aU1+b
乘幂回归U2=aU1b
指数回归U2=exp(bU1)
n
U1/V
U2/V
U2*/V
(U2-U2*)2/V2
U2*/V
(U2-U2*)2/V2
U2*/V
(U2-U2*)2/V2
1
0.310
0.073
-1.944
4.07
0.082
8.1×10-5
0.072
1.0×10-6
2
0.320
0.104
-1.264
1.87
0.114
1.0×10-4
0.106
4.0×10-6
3
0.330
0.160
-0.584
0.55
0.160
0
0.156
16×10-6
4
0.340
0.230
0.096
0.02
0.227
9.0×10-6
0.230
0
5
0.350
0.337
0.775
0.19
0.325
1.44×10-4
0.339
4.0×10-6
6
0.360
0.499
1.455
0.91
0.468
9.61×10-3
0.500
1.0×10-6
7
0.370
0.733
2.135
1.97
0.680
2.81×10-3
0.738
25×10-6
8
0.380
1.094
2.815
2.96
0.999
9.02×10-3
1.087
49×10-6
9
0.390
1.575
3.495
3.69
1.483
8.46×10-3
1.603
7.84×10-4
10
0.400
2.348
4.175
3.34
2.225
1.51×10-2
2.362
1.96×10-4
11
0.410
3.495
4.855
1.85
3.379
1.34×10-2
3.482
1.69×10-4
12
0.420
5.151
5.535
0.15
5.196
2.02×10-2
5.133
3.24×10-4
13
0.430
7.528
6.215
1.72
8.097
0.32
7.566
1.44×10-3
14
0.440
11.325
6.894
19.63
12.795
2.16
11.152
0.029
δ
1.8
0.42
0.048
r
0.8427
0.9986
0.9999
a、b
a=67.99,b=-23.02
a=1.56×10,b=10.37
a=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。
计算玻尔兹曼常数
由表2数据得
=bT=38.79×(273.15+26.00)=1.160×104
则
=
=1.38×10-23
此结果与公认值k=1.381×10-23
相当一致。
2、电流I=100
时,
关系测定,求PN结温度传感器的灵敏度S,计算0K进硅材料的近似禁带宽度
。
表3
关系测定
T/K
103.2
106.0
107.0
109.9
111.5
115.3
119.3
122.9
123.5
126.3
129.3
131.9
8.0
14.9
17.7
25.0
29.0
38.7
49.0
58.7
60.0
67.0
74.9
81.2
281.2
288.1
290.9
298.2
302.2
311.9
322.2
331.9
333.2
340.2
348.1
354.2
0.644
0.647
0.631
0.615
0.605
0.584
0.563
0.553
0.531
0.519
0.501
0.495
用casio-3600计算器对
数据进行直线拟合得:
斜率,即传感器灵敏度S=-2.30
;截距
=1.30V(0K温度);相关系数r=0.995
=1.30电子伏特。
硅在0K温度时禁带宽度公认值
=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
=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:
193-196
2、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:
37-39
FD-PN-4型
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1、PN结物理特性综合实验仪(FD-PN-4型)
一套
2、PN结物理特性综合实验仪说明书
一本
3、TIP31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
6、3DG6(基极和集电极短路)
一只
7、LF356运算放大器
二只
配件
8、TIP31型三极管
一只
配件
**注:
本仪器线路内设自动保护装置,对外接电源禁止使用,若违反上述说明,造成仪器发生故障,一切责任由用户自负!
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