實(shí)驗(yàn)報(bào)告---半導(dǎo)體pn結(jié)的物理特性及弱電流測量

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1、成都信息工程學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：石朝陽專業(yè)：班級(jí)：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)日期：2009-9-15下午實(shí)驗(yàn)教室：5102-1指導(dǎo)教師：【實(shí)驗(yàn)名稱】PN結(jié)物理特性綜合實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.在室溫時(shí)，測量PN結(jié)電流與電壓關(guān)系，證明此關(guān)系符合波耳茲曼分布規(guī)律2.在不同溫度條件下，測量玻爾茲曼常數(shù)3.學(xué)習(xí)用運(yùn)算放大器組成電流-電壓變換器測量弱電流4.測量PN結(jié)電壓與溫度關(guān)系，求出該P(yáng)N結(jié)溫度傳感器的靈敏度5.計(jì)算在0K溫度時(shí)，半導(dǎo)體硅材料的近似禁帶寬度【實(shí)驗(yàn)儀器】半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性實(shí)驗(yàn)儀資產(chǎn)編號(hào)：××××，型號(hào)：×××（必須填寫）【實(shí)驗(yàn)原理】1．PN結(jié)的伏安特性

2、及玻爾茲曼常數(shù)測量PN結(jié)的正向電流-電壓關(guān)系滿足：(1)當(dāng)時(shí),(1)式括號(hào)內(nèi)-1項(xiàng)完全可以忽略，于是有：(2)也即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測得PN結(jié)關(guān)系值，則利用(1)式可以求出。在測得溫度后，就可以得到，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)。實(shí)驗(yàn)線路如圖1所示。圖1　PN結(jié)擴(kuò)散電源與結(jié)電壓關(guān)系測量線路圖2、弱電流測量圖2　電流－電壓變換器LF356是一個(gè)高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器，用它組成電流-電壓變換器(弱電流放大器),如圖2所示。其中虛線框內(nèi)電阻為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。運(yùn)算放大器的輸入電壓為：(3)式(3

3、)中為輸入電壓，為運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓增益，即圖2中電阻時(shí)的電壓增益（稱反饋電阻）。因而有：(4)由（4）式可得電流-電壓變換器等效輸入阻抗為(5)由(3)式和(4)式可得電流-電壓變換器輸入電流與輸出電壓之間的關(guān)系式，即：(6)只要測得輸出電壓和已知值，即可求得值。3、PN結(jié)的結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度關(guān)系測量。當(dāng)PN結(jié)通過恒定小電流（通常），由半導(dǎo)體理論可得與的近似關(guān)系：(7)式中為PN結(jié)溫度傳感器靈敏度。由可求出溫度0時(shí)半導(dǎo)體材料的近似禁帶寬度。硅材料的約為1.20?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】（一）關(guān)系測定，并進(jìn)行曲線擬合計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)（）1、在室溫情況下，

4、測量三極管發(fā)射極與基極之間電壓和相應(yīng)電壓。的值約從至范圍，每隔測一相應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)，至達(dá)到飽和(變化較小或基本不變)。在記錄數(shù)據(jù)開始和結(jié)束時(shí)都要記錄下變壓器油的溫度，取溫度平均值。2、改變干井恒溫器溫度，待PN結(jié)與油溫一致時(shí)，重復(fù)測量和的關(guān)系數(shù)據(jù)，并與室溫測得的結(jié)果進(jìn)行比較。3、曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公式：運(yùn)用最小二乘法將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入指數(shù)函數(shù)。求出相應(yīng)的和值。圖3圖44、玻爾茲曼常數(shù)。利用，把電子電量作為已知值代入，求出并與玻爾茲曼常數(shù)公認(rèn)值（）進(jìn)行比較。（二）關(guān)系測定，計(jì)算硅材料0時(shí)近似禁帶寬度值。1、通過調(diào)節(jié)圖3電路中電源電壓，使上電阻兩端電壓保持不

5、變，即電流。同時(shí)用電橋測量鉑電阻的電阻值，得恒溫器的實(shí)際溫度。從室溫開始每隔5℃－10℃測一組值，記錄。2、曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公式：運(yùn)用最小二乘法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入線性回歸、指數(shù)回歸、乘冪回歸這三種常用的基本函數(shù)(它們是物理學(xué)中最常用的基本函數(shù)),然后求出衡量各回歸程序好壞的標(biāo)準(zhǔn)差。對已測得的和各對數(shù)據(jù)，以為自變量，作因變量，分別代入：(1)線性函數(shù)；(2)乘冪函數(shù)；（3）指數(shù)函數(shù)，求出各函數(shù)相應(yīng)的和值，得出三種函數(shù)式，究竟哪一種函數(shù)符合物理規(guī)律必須用標(biāo)準(zhǔn)差來檢驗(yàn)。辦法是：把實(shí)驗(yàn)測得的各個(gè)自變量分別代入三個(gè)基本函數(shù)，得到相應(yīng)因變量的預(yù)期值,并由此

6、求出各函數(shù)擬合的標(biāo)準(zhǔn)差：用最小二乘法對關(guān)系進(jìn)行直線擬合，求出PN結(jié)測溫靈敏度及近似求得溫度為0時(shí)硅材料禁帶寬度?！咀⒁馐马?xiàng)】1.數(shù)據(jù)處理時(shí)，對于擴(kuò)散電流太小(起始狀態(tài))以及擴(kuò)散電流接近或達(dá)到飽和時(shí)的數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)刪去，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)可能偏離公式(2)。2.必須觀測恒溫裝置上溫度計(jì)讀數(shù)，待TIP31三極管溫度處于恒定時(shí)(即處于熱平衡時(shí)),才能記錄和數(shù)據(jù)。3.本實(shí)驗(yàn)，TIP31型三極管溫度可采用的范圍為0-50℃。4.儀器具有短路自動(dòng)保護(hù)，一般情況集成電路不易損壞，但請勿將二極管保護(hù)裝置拆除?！緮?shù)據(jù)記錄】（數(shù)據(jù)僅供參考）1、關(guān)系測定。室溫條件下

7、:=25.90℃，=26.10℃，=26.00℃0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.3700.0730.1040.1600.2300.3370.4990.7330.3800.3900.4000.4100.4200.4300.4401.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3252、電流I＝100時(shí)，關(guān)系測定。103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.9123.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.

8、067.074.981.2281.2288.1290.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.