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1、FD PN 4PN结物理特性测定仪使用说明070418修订 - 0 - 仪器使用说明 TEACHERS GUIDEBOOK 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 Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd. - 1 - FD-PN-4 PN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

2、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1 PN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+15V0V(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 02V 四

3、位半数字电压表量程 020V 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

4、）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、 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

6、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(kTeU1，(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

7、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m2。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

8、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1 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

9、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

10、： 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

11、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S2.3CmVo/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goEgoqU。硅材料的goE约为1.20eV。 【实验仪器】

12、1. 直流电源、数字电压表、温控仪组合装置（包括15V直流电源、01.5V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

13、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

14、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

15、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

16、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/V 0.310 0.320 0.330 0.340 0.350 0.360 0.370 U2/V 0.073 0.104 0

17、.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2 1)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=a U1+b 乘幂回归U2=a U1b 指数回归U2=exp(b U1) n U1/V U2/V U2*/V (U2-U2*)2/V2 U2*/V

18、(U2-U2*)2/V 2 U2*/V (U2-U2*)2/V 2 1 0.310 0.073 -1.944 4.07 0.082 8.110-5 0.072 1.010-6 2 0.320 0.104 -1.264 1.87 0.114 1.010-4 0.106 4.010-6 3 0.330 0.160 -0.584 0.55 0.160 0 0.156 1610-6 4 0.340 0.230 0.096 0.02 0.227 9.010-6 0.230 0 5 0.350 0.337 0.775 0.19 0.325 1.4410-4 0.339 4.010-6 6 0.360 0.

19、499 1.455 0.91 0.468 9.6110-3 0.500 1.010-6 7 0.370 0.733 2.135 1.97 0.680 2.8110-3 0.738 2510-6 8 0.380 1.094 2.815 2.96 0.999 9.0210-3 1.087 4910-6 - 9 - 9 0.390 1.575 3.495 3.69 1.483 8.4610-3 1.603 7.810 -4 10 0.400 2.348 4.175 3.34 2.225 1.5110-2 2.362 1.9610-4 11 0.410 3.495 4.855 1.85 3.379 1

20、.3410-2 3.482 1.6910-4 12 0.420 5.151 5.535 0.15 5.196 2.0210-2 5.133 3.2410-4 13 0.430 7.528 6.215 1.72 8.097 0.32 7.566 1.44?/TR C0/? KT/ VUbe/281.2 0.644 0.647 0.631 103.2 106.0 107.0 8.0 14.9 17.7 288.1 290.9 10-3 14 0.440 11.325 6.894 19.63 12.795 2.16 11.152 0.029 1.8 0.42 0.048 r 0.8427 0.998

21、6 0.9999 a、b a=67.99,b=-23.02 a=1.5610,b=10.37 a=4.4710,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3 TUbe

22、?关系测定 - 10 - 109.9 111.5 115.3 119.3 122.9 25.0 29.0 38.7 49.0 58.7 298.2 302.2 311.9 322.2 331.9 0.615 0.605 0.584 0.563 0.553 123.5 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r0.

23、995； eUEgo?=1.30eV 硅在0K温度时禁带宽度公认值goE1.205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50150，在低温时，非线性项将不可完全忽略，所以本实验测得goU=1.30 V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）：13 4.陆申龙 曹正东 低温条件下半导体

24、材料禁带宽度的测量， 大学物理 第15卷第10期 1996，10：37-39 - 11 - 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 您购买的产品与装箱清单中是否符合，请验收。 日期： 年 月 日 编号 名称 数量 备注 1 PN结物理特性综合实验仪 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 9 10 11 12 13 14 15 16

25、- 12 - 温度 0 1 （） 30 88.04 87.64 20 92.04 91.64 10 98.03 95.63 0 100.00 99.60 0 100.00 100.40 10 103.96 104.36 20 107.91 108.31 30 111.85 112.25 40 115.78 116.17 50 119.70 120.09 60 123.60 123.99 2 3 4 87.24 86.84 86.44 91.24 90.84 90.44 95.23 94.83 94.43 99.21 98.81 98.41 100.79 101.19 101.59 104.75

26、 105.15 105.54 108.70 109.10 109.49 112.64 113.03 113.43 116.57 116.96 117.35 120.48 120.87 121.26 124.38 124.77 125.16 5 6 电阻值（） 86.04 85.63 90.04 89.64 94.03 93.63 98.01 97.62 101.98 102.38 105.94 106.33 109.88 110.28 113.82 114.21 117.74 118.13 121.65 122.04 125.55 125.94 7 85.23 89.24 93.24 97.2

27、2 102.78 106.73 110.67 114.60 118.52 122.43 126.33 70 127.49 127.88 128.27 128.66 129.05 129.44 129.82 130.21 80 131.37 131.76 132.15 132.54 132.92 133.31 133.70 134.08 90 135.24 135.63 136.02 136.40 136.79 137.17 137.56 137.94 100 139.10 139.49 139.87 140.26 140.64 141.02 141.41 141.79 110 142.95 1

28、43.33 143.71 144.10 144.48 144.86 145.25 145.63 120 146.78 147.16 147.55 147.93 148.31 148.69 149.07 149.46 130 150.60 150.98 151.37 151.75 152.13 152.51 152.89 153.27 140 154.41 154.79 155.17 155.55 155.93 156.31 156.69 157.07 150 158.21 158.59 158.97 159.35 159.73 160.11 160.49 160.86 160 162.00 1

29、62.38 152.76 133.13 163.51 163.89 164.27 164.64 170 165.78 166.16 166.53 136.91 167.28 167.65 168.03 168.41 180 169.54 169.91 170.29 170.57 171.04 171.42 171.79 172.17 190 173.29 173.67 174.04 174.41 174.79 175.16 175.54 175.91 200 177.03 177.40 177.78 178.15 178.52 178.90 179.27 179.64 210 180.76 181.13 181.51 131.88 182.25 182.62 182.99 183.36 220 184.48 184.85 185.22 135.59 185.96 186.33 185.70 187.07 230 188.18 188.55 188.92 139.29 189.66 190.03 190.40 190.77 240 191.88 192.24 192.61 132.98 193.35 193.72 194.09 194.45 25