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
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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，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、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。
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=I0[exp（
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,
（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m>
2。
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3 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=2×
105，输入阻抗ri≈1012Ω。
若取Rf为1.00MΩ，则由（5）式可得：
Zr=1.00×
106Ω/（1+2×
105）=5Ω
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=0.01×
10-3V/（1×
106Ω）=1×
10-11A
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I＝1000μA），由半导体理论可得
与T近似关系：
（5）
式中S≈－2.3
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）
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δ。
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，得到相应因变量的预期值U2*,并由此求出各函数拟合的标准差：
δ=
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6
1、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I＝100μA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I＝100μA。
同时用电桥测量铂电阻
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5℃－10℃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1
U1/V
0.310
0.320
0.330
0.340
0.350
0.360
0.370
U2/V
0.073
0.104
0.160
0.230
0.337
0.499
0.733
0.380
0.390
0.400
0.410
0.420
0.430
0.440
1.094
1.575
2.348
3.495
5.151
7.528
11.325
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=aU1+b
乘幂回归U2=aU1b
指数回归U2=exp（bU1）
n
U2*/V
（U2-U2*）2/V2
（U2-U2*）2/V2
1
-1.944
4.07
0.082
8.1×
10-5
0.072
1.0×
10-6
2
-1.264
1.87
0.114
10-4
0.106
4.0×
3
-0.584
0.55
0.156
16×
4
0.096
0.02
0.227
9.0×
5
0.775
0.19
0.325
1.44×
0.339
6
1.455
0.91
0.468
9.61×
10-3
0.500
7
2.135
1.97
0.680
2.81×
0.738
25×
8
2.815
2.96
0.999
9.02×
1.087
49×
9
3.69
1.483
8.46×
1.603
7.84×
10
4.175
3.34
2.225
1.51×
10-2
2.362
1.96×
11
4.855
1.85
3.379
1.34×
3.482
1.69×
12
5.535
0.15
5.196
2.02×
5.133
3.24×
13
6.215
1.72
8.097
0.32
7.566
14
6.894
19.63
12.795
2.16
11.152
0.029
δ
1.8
0.42
0.048
r
0.8427
0.9986
0.9999
a、b
a=67.99,b=-23.02
a=1.56×
10,b=10.37
a=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。
计算玻尔兹曼常数
由表2数据得
=bT=38.79×
（273.15+26.00）=1.160×
104
则
=
=1.38×
10-23
此结果与公认值k=1.381×
相当一致。
2、电流I＝100
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/K
103.2
106.0
107.0
109.9
111.5
115.3
119.3
122.9
123.5
126.3
129.3
131.9
8.0
14.9
17.7
25.0
29.0
38.7
49.0
58.7
60.0
67.0
74.9
81.2
281.2
288.1
290.9
298.2
302.2
311.9
322.2
331.9
333.2
340.2
348.1
354.2
0.644
0.647
0.631
0.615
0.605
0.584
0.563
0.553
0.531
0.519
0.501
0.495
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
=1.30V（0K温度）；
相关系数r＝0.995
=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－50℃－－150℃，在低温时，非线性项将不可完全忽略，所以本实验测得
=1.30V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.
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）：
1－3
4、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
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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!
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