FD PN 4PN结物理特性测定仪使用说明070418修订.docx

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FDPN4PN结物理特性测定仪使用说明070418修订

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仪器使用说明

TEACHER'SGUIDEBOOK

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

ShanghaiFudanTianxinScientific_EducationInstrumentsCo.,Ltd.

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FD-PN-4PN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1PN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[+15V—0V（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0—2V

四位半数字电压表量程0—20V

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）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．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（kTeU>>1，

（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m>2。

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

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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1所示。

1LF357+15-15VV101.5TIP3TIP3cLF3561235

图1PN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：

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S≈－2.3CmVo/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goE＝goqU。

硅材料的goE约为1.20eV。

【实验仪器】

1.直流电源、数字电压表、温控仪组合装置（包括±15V直流电源、0－1.5V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:

=25.90C?

，2?

=26.10C?

，?

=26.00C?

表1

U1/V0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U2/V0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733U1/V0.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440U2/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21）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=aU1+b乘幂回归U2=aU1b

指数回归U2=exp（bU1）

nU1/VU2/VU2*/V（U2-U2*）2/V2U2*/V（U2-U2*）2/V2U2*/V（U2-U2*）2/V

10.3100.073-1.9444.070.0828.1×10-5

0.0721.0×10-6

20.3200.104-1.2641.870.1141.0×10-4

0.1064.0×10-6

30.3300.160-0.5840.550.16000.15616×10-6

40.3400.2300.0960.020.2279.0×10-60.230050.3500.3370.7750.190.3251.44×10-4

0.3394.0×10-660.3600.4991.4550.910.4689.61×10-30.5001.0×10-6

70.3700.7332.1351.970.6802.81×10-3

0.73825×10-6

0.380

1.094

2.815

2.96

0.999

9.02×10-3

1.087

49×10-6

-9-

90.3901.5753.495

3.691.4838.46

×10-3

1.603

7.810

-4

0.4002.3484.1753.342.2251.51×10-22.3621.96×10-4

110.4103.4954.8551.853.3791.34×10-23.4821.69×10-4

120.4205.1515.5350.155.1962.02×10-2

5.1333.24×10-4

130.4307.5286.2151.728.0970.327.5661.44×

/TRC0/?

KT/VUbe/281.20.6440.6470.631

103.2106.0107.0

8.014.917.7

288.1290.9

10-3

0.440

11.325

6.894

19.63

12.795

2.1611.152

0.029δ1.8

0.420.048r0.84270.9986

0.9999

a、b

a=67.99,b=-23.02

a=1.56×10,b=10.37a=4.47×10,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3TUbe?

关系测定

-10-

109.9111.5115.3119.3122.925.029.038.749.058.7298.2302.2311.9322.2331.90.6150.6050.5840.5630.553

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）；