PN结的伏安特性与温度特性测量.docx

1、PN结的伏安特性与温度特性测量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钳金电阻测温 电桥，测量PN结结电压（4,与热力学温度T关系，求得该传感器的灵敬度，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

2、、 学习用运算放大器组成I-V变换器测量106A至10-8A的弱电流。4、 测量PN结结电压t/缺与温度关系，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、 学会用钳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，钳电阻一只。【实验原理】1、PN结伏安特性及玻尔兹曼常数测量山半导体物理学可知，PN结的正 向电流-电压关系满足：1 = 1 - (1)式(1)中

3、/是通过PN结的正向电流，/()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，(/为PN结正向压降。由于在常 温(300K)时，kT/e-Q.Q26v ,而PN结正向压降约为十分之儿伏，则严1,(1) 式括号内-1项完全可以忽略，于是有：I = I 严t (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。八 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斤。在实际测量中，二极管的正向人”关系虽然能较好满足指数关系，但求得 的常数斤往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流，还有其它电流

4、。 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，它正比于严2紋；3表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于严就r, 般 ni2 o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)，实验中乂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。12 3 4图1 PN结扩散电源与结电压关系测量线

5、路图2、弱电流测量过去实验中10-6缶10人量级弱电流采用光点反射式检流计测量，该仪器灵 敬度较高约10-%/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2所示。其中虚

6、线框内电阻乙为电流-电压变换器等效输入阻 抗。由图2可，运算放大器的输入电压U）为：式（3）中U为输入电压，Ko为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻Rl8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门8, 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-U)Rf =S(1 + K。)/心 (4)由(4)式可得电流-电压变换器等效输入阻抗乙为：Z 产 UJIs=RJQ + KZRJK (5)山(3)式和式可得电流-电压变换器输入电流Is输出电压U()之间得关系式,即：山(6)式只要测得输出电压Uo和已知&值，即可求得Is值。以高输入阻抗 集成运算放大器LF3

7、56为例来讨论乙和Is值得大小。对LF356运放的开环增益 /Co=2xlO5,输入阻抗rlQnQ.若取尺为1.00MQ,则由(5)式可得:Zr =1.00x106Q/(1 + 2x105) = 50若选用四位半量程200加V数字电压表，它最后一位变化为0.01/hV ,那么 用上述电流电压变换器能显示最小电流值为：(；5)niin = 0.01 /nV/1.00xl06Q = lxl0-,A山此说明，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、灵敬度高的优点。3、PN结的结电压卩缺与热力学温度T关系测量。当PN结通过恒定小电流(通常电流I=1000PA), 111半导体理

8、论可得几与 T近似关系：Ube=ST + Uso (5)式中S-2.3mVrc为PN结温度传感器灵敬度。iURo可求岀温度0K时 半导体材料的近似禁带宽度E&S。硅材料的几约为1.20W。【实验内容与步骤】(-)Id 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1所示(说明：图中100Q的滑动变阻器和1.5H电源已 经接入电路，只是1.5V稳压电源正输出没有接地，实验中只需将1.5H正输岀接 地即可)。图中3为三位半数字电压表，5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 境温度一致，把功率三极管

9、连同散热器浸没在变压器油管中，油管下端插在保温 杯中，保温杯内盛有室温水，变压器油温度用0-50C(0.1C)的水银温度计测量。(为简单起见，本实验也可把功率三极管置于干井恒温器温度中，打开仪器的加 热开关，按温度复位按钮，让仪器探测出环境温度，然后调节恒温控制到与室温 相同即可。)2、 在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压3和相应电压6。 在常温下3的值约从0.3W至0.42范圉每隔0.01 V测一点数据，约测10多数据 点，至5值达到饱和时(5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& ,取温度平均值歹。3、 改变干井恒温器温度，待PN

10、结与油温湿度一致时，重复测量3和6 的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。4、 把式改为-=RI严t ,运用最小二乘法，将不同温度下采集的S S关系数据代入指数回归函数U.=aehu关系式中，算出指数函数相应的a和b 的最佳值心和,则由e/KTM。、RI0 = a()两式分别计算出玻尔兹曼常数K值 和弱电流仏值，并说明玻尔兹曼分布的物理的含义。已知玻尔兹曼常数公认值 K= 1.381 x 10亠J/K,由此进而计算出玻尔兹曼常数测量的结果的白分误差。5、 曲线拟合求经验公式(此项内容为选做内容)：运用最小二乘法，将实 验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幕回归这三种常用的基本函数(它们是 物

11、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do对已测 得的3和6各对数据，以3为自变量，6作因变量，分别代入：(1)线性函数U2=aUl+b； (2)乘幕函数U2=aUib； (3)指数函数 g严。 求出各函数相应的和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3分别代入三个基本函 数，得到相应因变量的预期值5*,并山此求出各函数拟合的标准差：式中为测量数据个数，弘为实验测得的因变量，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。（二）U-T关系测定，求PN结温度传感

12、器灵敬度S,计算硅材料0K时近似禁带宽度耳。值（此项内容为选做内容）。Rt _ =31/图3 图41、 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V2通过 双刀双向开关，既作测温电桥指零用，乂作监测PN结电流，保持电流1=100山 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I =100屮。同时用电桥测量钳电阻心的电阻值，通过查钳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测一定（7加值（即V/）与温 度& （V）关系，求得U-T关系。（至少测6点以上数据）3、 用最小二乘法对Ube-T关系进行直线拟合，求出PN结测温灵敏度S及近

13、似求得温度为0K时硅材料禁带宽度Ero。【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讣读数，待TIP31三极管温度处于恒定时（即 处于热平衡时），才能记录5和5数据。3、 用本装置做实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50Co若要在 -120C-0C温度范围内做实验，必须有低温恒温装置。4、 山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6值不相同。5、 本仪器电源具有短路自动保护，运算放大器若151/接

14、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。【数据记录及处理】1、I（-Ube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：初温= C,末温&2 = C, 0= C表1（%的起、终点要以具体的实验情况判断）序号12315678Ui/V0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.3700.380U1JN序号9101112131415U/N0.3900.4000.4100.4200.4300.4400.450UiJN以3为自变量，6为因变量，分别进行线性函数、乘幕函数和指数函数的拟合，结果填入表2中:表2线性回归Ug 5

15、+b乘泵回归gup指数回归n71/V/2/VU2/V(Ui-U/V2U1/V(U2-U2)2/V2U1/V(U1-U1)2/V210.31020.32030.33040.34050.35060.36070.37080.38090.390100.400110.410120.420130.430140.440150.450 6ra、ba= rb=a= rb=a= 二山表2数据处理后进行判断，线性函数、乘幕函数和指数函数的拟合哪一种数据拟合最好，并山此说明PN结扩散电流电圧关系遵循的分布规律。计算玻尔兹曼常数：由表2数据得e / ke/k =bT= CK/JJ/K此结果与公认值k=1.381xlO-

16、23丿/K进行比较。2、电流1=100nA时，Uhe-T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E豹。表3 Ube-T关系测定序号0/CT/KUJV123456789101112用计算器对t/快-T数据进行直线拟合得：1） 斜率，即传感器灵敬度$= mV/K;2） 截距U“二 V （0K温度）；3） 相关系数= 4） 禁带宽度=eU= eVo将此结果与硅在0K温度时禁带宽度公认值耳。= 1.205 eV相比较，看本实验测得的匕。是否合理，并分析原因。【思考题】1、得到的数据一部分在线性区，一部分不在线性区，为什么？拟合时应如何注意取舍?2、本实验把三极管接成共基极电路，测量结扩散电流与电压之间的关系, 求玻尔兹曼常数，主要是为了消除哪些误差？