FDPN4 PN结物理特性综合实验仪说明书要点Word格式文档下载.docx

1、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

2、，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、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。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

3、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=I0exp（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（）1,

4、（1）式括号内-1项完全可以忽略，于是有： I=I0exp（） （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m2。因此，为了验证（2）式及求出准确的常数，

5、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3PN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

6、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

7、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=2105，输入阻抗ri1012。若

8、取Rf为1.00M，则由（5）式可得： Zr=1.00106/（1+2105）=5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=0.0110-3V/（1106）=110-11A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I1000A），由半导体理论可得与T近似关系：（5）式中S2.3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）

9、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

10、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。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

11、量的预期值U2*,并由此求出各函数拟合的标准差： =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61、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I100A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I100A。同时用电桥测量铂电阻

12、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510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

13、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1U1/V0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U2/V0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.7330.3800.3900.4000.4100.4200.

14、4300.4401.0941.5752.3483.4955.1517.52811.325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=a U1+b乘幂回归U2=a U1b指数回归U2=exp（b U1）nU2*/V（U2-U2*）2/V2（U2-U2*）2/V 21-1.9444.070.0828.110-50.0721.010-62-1.2641.870.11410-40.1064.03-0.5840.550.1561640.0960.020.2279.050.7750.190.3251.440.33961.4550.910.4689

15、.6110-30.50072.1351.970.6802.810.7382582.8152.960.9999.021.0874993.691.4838.461.6037.84104.1753.342.2251.5110-22.3621.96114.8551.853.3791.343.4821.69125.5350.155.1962.025.1333.24136.2151.728.0970.327.566146.89419.6312.7952.1611.1520.0291.80.420.048r0.84270.99860.9999a、ba=67.99,b=-23.02a=1.5610,b=10.

16、37a=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。计算玻尔兹曼常数由表2数据得=bT =38.79（273.15+26.00）=1.160104则 =1.3810-23 此结果与公认值k=1.381相当一致。2、电流I100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/K103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.9123.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.067.074.981.22

17、81.2288.1290.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.6440.6470.6310.6150.6050.5840.5630.5530.5310.5190.5010.495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=1.30 V（0K温度）；相关系数r0.995=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50150，在低温时，非线性项将不可完全忽略，所以本实验测得=1.30 V是合理的。参考资料：1

18、、沈元华、陆申龙主编.基础物理实验.北京：高等教育出版社2003.12：193-1962、吕斯骅段家忯主编.基础物理实验.高等教育出版社2003.3：3073、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）：134、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PN结物理特性综合实验仪装箱清单 日期： 年 月 日您购买的产品与装箱清单中是否相符，请验收。名 称数 量备 注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5、长连接线（5黑、6红）十一根6、3DG6（基极和集电极短路）7、LF356运算放大器二只配件8、TIP31型三极管*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!