实验报告半导体PN结的物理特性及弱电流测量精.docx

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实验报告半导体PN结的物理特性及弱电流测量精

实验报告---半导体PN结的物理特性及弱电流测量（精）

成都信息工程学院

物理实验报告

姓名：

石朝阳专业：

班级：

学号：

实验日期：

2009-9-15下午实验教室：

5102-1指导教师：

【实验名称】PN结物理特性综合实验

【实验目的】

1.在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律

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

【实验仪器】

半导体PN结的物理特性实验仪资产编号：

××××，型号：

×××（必须填写）

【实验原理】

1．PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量

PN结的正向电流-电压关系满足：

（1）

当

时,

（1）式括号内-1项完全可以忽略，于是有：

（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

关系值，则利用

（1）式可以求出

。

在测得温度

后，就可以得到

，把电子电量

作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数

。

实验线路如图1所示。

2、弱电流测量

LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成

进行比较。

（二）

关系测定，计算硅材料0

时近似禁带宽度

值。

1、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

。

同时用电桥测量铂电阻

的电阻值，得恒温器的实际温度。

从室温开始每隔5℃－10℃测一组

值，记录。

2、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

和

各对数据，以

为自变量，

作因变量，分别代入：

（1）线性函数

；

（2）乘幂函数

；（3）指数函数

，求出各函数相应的

和

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

分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值

并由此求出各函数拟合的标准差：

用最小二乘法对

关系进行直线拟合，求出PN结测温灵敏度

及近似求得温度为0

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）以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

和

数据。

3.本实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。

4.仪器具有短路自动保护，一般情况集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。

【数据记录】（数据仅供参考）

1、

关系测定。

室温条件下:

=25.90℃，

=26.10℃，

=26.00℃

0.310

0.320

0.330

0.340

0.350

0.360

0.370

0.073

0.104

0.160

0.230

0.337

0.499

0.733

0.380

0.390

0.400

0.410

0.420

0.430

0.440

1.094

1.575

2.348

3.495

5.151

7.528

11.325

2、电流I＝100

时，

关系测定。

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

【数据处理】

1、曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数：

根据要求用最小二乘法处理数据，假设PN结电流和电压的关系满足

所以先要对公式

进行线性化处理。

由于U2和I是线性关系,即

=A*U2,A可视为微小电流转换为电压的转换系数。

首先以U2替换I，公式变化为A

两边取对数：

-lnA,

令：

lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b

上式变化为：

根据最小二乘法的计算公式：

（P27页）

列表计算：

（双击该表可见计算过程）

由此可知，相关系数r=0.99972,指数拟合的很好，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，由表中数据得

则：

2、求PN结温度传感器的灵敏度S，0

时硅材料禁带宽度

。

用作图法对

数据进行处理：

（图省略）所画的直线的斜率，即PN结作为温度传感器时

的灵敏度

，表明PN结是负温度系数的。

截距

（0

温度）；则

电子伏特。

【实验结果】

1、测量值

与公认值

相当一致。

实验结果：

2、硅在0

温度时禁带宽度公认值

电子伏特，上述结果与实际大小基本吻合。

由于PN结温度传感器的线性范围为－50℃－－150℃，在常温时，非线性项将不可完全忽略，所以本实验测得

电子伏特是合理的。

【问题讨论】

谈谈自己对本实验的体会与建议等。

禁带宽度（Bandgap）是指一个能带宽度（单位是电子伏特（ev））.固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。

要导电就要有自由电子存在。

自由电子存在的能带称为导带（能导电）。

被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。

锗的禁带宽度为0.66ev；硅的禁带宽度为1.12ev；砷化镓的禁带宽度为1.43ev。

禁带非常窄就成为金属了，反之则成为绝缘体。

半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关。