实验六 半导体的低温特性实验文档格式.docx
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在高校普遍升级本科，而且规模和地盘极度扩大的情况下，实验课的近距离性必然伴随着大的资金投入，或者学生因为远去实验室而大大增加的时间和金钱的开支。
用较少资金就能实现的远程实验就成为一个必须进行探索的选择。
现有远程实验的课件大体上是用动画进行仿真，包含了许多人为的设定。
而实验课的基点是学生必须亲自动手实践，而且实验现象和数据往往富有挑战性，因此动画仿真一般只能用作预习使用。
以用户虚拟面板为主，加上利用现有多任务网络软件实现实验过程现场和实时数据的多媒体音像观察和网上互动讨论以及实验报告的递交、批改及管理等功能，是一种新型的远程教学。
虽然这种近代物理低温实验课教学系统还不能让学生亲自远程操作低温系统，但就目前技术而言，已能最大限度地接近学生亲自动手实践的实验课教学实际。
2.低温半导体特性实验原理
固体的性质与载流子的热平均自由能kT或者固体的温度T有很大的关系。
改变温度，尤其是在低温范围内改变温度，可以使固体的性质发生很大的变化。
这是固体的低温实验特别重要的原因之一。
在极低温下，一些与热激发有关的效应可以忽略，也可以使研究的问题变得较为简单。
低温实验中的冷源常用液体氮和液体氦，常压下的沸点分别为77K和4.2K。
用减压降温的办法可以把液氮和液氦的温度分别降至63K和1.3K。
用液氮和液氦获得低温的过程十分复杂而且费时，而且还要受制于液氮和液氦的供应。
国产的氦气闭循环制冷系统可以使样品在一个小时内从室温降到10K以上的任何温度，而且不需要液氦和液氦的供应。
低温测量的传感器有温差热电偶，电阻温度计和高掺杂硅二极管温度计。
温差热电偶热容量小，但灵敏度不够高，复现性也较差。
电阻温度计和高掺杂硅二极管温度计稳定性很好，但价格较高。
在国产的氦气闭循环制冷系统中，样品架上的制冷功率都在一瓦以上，电阻温度计和二极管温度计的发热量都可以忽略不计。
需要注意的一点是，通过电阻温度计和二极管温度计的电流必须由恒流源提供。
（*温度从常温——20K，电阻从55欧——3欧）。
样品周围气体的热传导会影响样品低温的获得和保持。
气体的压强在10-5Torr时，漏热约在微瓦级。
在国产的氦气闭循环制冷系统中，10-1－10-2Torr的低真空度足够保证机件和一般样品表面不结霜而不会受损。
使用一般机械真空泵可以胜任低真空度的要求。
获得低真空后，关闭高真空阀门。
进一步降温使残留空气液化，便可以达到较高的真空度，而且因高真空阀门关闭而保持，从而保证样品降温到10K。
漏热也会因测量的引出线而发生。
漏热量与导线的热导率、导线的尺寸、引出线两端的温差量有关。
直径0.1mm长30cm的铜导线，在两端有10K的温差时，可有1mW的漏热。
样品测量时的引线应尽量使用锰铜线。
锰铜线的热导率仅为铜线的二十分之一。
系统的幅射漏热一般由设置温度适中的屏蔽罩来抑制。
国产的氦气闭循环制冷系统中已有良好的结构设计。
在图1右上角显示的氦致冷机结构中，样品架与真空罩之间还有一个未画出的屏蔽罩。
屏蔽罩的低温由第一级制冷提供。
样品架的低温由第一级制冷之后更低温度的第二级制冷提供。
实验测量半导体PN结的低温特性并进行分析。
在一定的温度范围内，通过半导体PN结的电流近似正比于exp[-（Eg-qV）/kT]。
[2]其中Eg是禁带宽度，q是基本电荷，V是正向偏压，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。
显然，在恒定电流下,（Eg-qV）/kT保持常数，半导体PN结的正向电压随着温度的降低而升高。
测量恒定电流下正向偏压与绝对温度的变化关系，再利用已知的室温下禁带宽度,可以推算不同低温温度下的禁带宽度。
三、[实验装置]
1.氦致冷机和真空系统的技术背景
上图示意氦致冷机和实验系统的结构。
双击可以看到氦致冷机和实验系统的系列照片。
系统充分升温到室温后才能换样品。
换样品前，首先旋转三通为A-A*，B-B*，C-C*连通或B-A*，C-B*连通的状态，然后反时针旋开真空阀，应该能听到进气声。
然后旋开二级冷头真空罩的固定螺丝，取下真空罩，更换样品。
最后又装上真空罩，旋上固定螺丝。
接着，首先要顺时针关闭高真空阀门，并旋转三通为A-C*，C-A*连通，但B-B*不通的状态，然后打开真空泵三相电源，应该能听到频率较高的声响。
一分钟后再反时针旋开真空阀，应该能听到抽气声。
半小时后先关闭真空阀，最后才关闭真空泵三相电源，紧接着旋转三通为A-B*，B-C*连通，但C-A*不通的状态。
降温之前，首先要给氦压缩机通水，水量尽可能大，并检查出水的流畅。
然后检查氦压表不能超过1.5MPA。
最后才能打开压缩机电源开关。
先有较大震动噪声，1分钟以内会变为有规律的较小噪声，氦压会升高0.5MPA左右。
万一停电，半小时后才能重新上电。
降温后2小时内可达到10K的低温。
要经常检查冷却水是否通畅。
真空罩外表面起先有少量结霜出现，温度在77K以下之后结霜又会转化为水（？
）。
降温2小时的过程中每分钟测一次PN结正向偏压读数与电阻温度计电阻读数。
数据采集完，应立即断开氦压缩机电源，但一分钟后才能断水。
自然升温到100K以上后，人员才能离开。
在下一次室温更换样品前，都不能打开真空阀。
平时应注意保护高压氦管，不容许过度扭曲、碰撞，以免真空保护套漏气而不能绝热。
2.实验电路和测量技术
电阻温度计的电阻用四端测量法以提高精度。
采用的KEITHLEY195SYSTEMDMM有5位半的高精度，而且本身带有四端测量的连结。
温度计的电阻的一端的两根引出线接到HI端的两个红接线柱上，另一端的两根引出线接到LO端的两个黑接线柱上。
上电自检后FUNCTION选OHMS，RANGE选AUTO，立即可读到电阻温度计的电阻数值（单位是欧姆）。
实物照片如下
低温样品架上的半导体PN结的的偏压也要采用四端测量法。
半导体PN结的的偏压较大（0.6-1.1V）,不必再放大就可以用数字万用表测量。
PN结的的偏压用DT9205A数字万用表的直流2V档测量，小数点之前的0不显示。
实物照片如下
PN结通过的正向恒定电流不超过0.03mA比较合适。
运算放大器使用CA3140和四节五号电池电源。
恒流源必须有足够的负载能力。
恒流源与PN结引出插头以及万用表表笔的连接实物图如下
恒流源的参考电路如下，电池电压变化对该电路的输出电流值有一定的影响。
四、[实验内容及步骤]
此课件提供2学时的预习和参观及讨论过程,4学时的实验数据采集和数据处理过程.上课提前一个学期与福州大学物理与信息工程学院联系,以便安排时间并通知相关事宜.学生一方应备有宽带网和XP微机，并备好网络通信软件和ORIGIN软件。
1）在规定上课时间之前用一个小时自习本课件，记住所有生疏的名词和图像。
2）在规定上课时间的最初20分钟内与两台服务设备建立联系，在服务设备方发出的邀请后建立两幅服务设备方图像和一个双向语音通道。
3）在随后的50分钟的时间里，观察教师操作玻璃三通、机械真空泵上电，而后旋开高真空阀门抽真空的过程，听一下机械真空泵音响的变化；
观察教师氦压缩机通水操作；
最后又观察教师关闭高真空阀门、操作玻璃三通、关闭机械真空泵的过程。
参加讨论，注意操作的顺序，报告中要给出各个操作和现象的理由，并写入心得体会。
为了保持较好真空度，不观察教师换样品的过程。
换样品后一般要预抽真空2小时以上。
4）做好手记实验数据的准备工作（笔纸、或打开ORIGIN）。
观察教师打开恒流源开关。
记下氦压、温度计电阻、PN结偏压，作为零时间的数据。
观察教师打开压缩机电源开关，听一下压缩机音响的变化。
然后每分钟记录一次氦压、温度计电阻、PN结偏压的数据。
两小时一共120组数据。
在服务设备方图像的万用表右方有一个时间显示器，显示XXX.X（分钟）。
整分钟时，有个蜂鸣器会发出声响，请抓紧记录数据。
最后还要注意观察教师关闭压缩机电源开关结束实验的操作。
蜂鸣器发声的间隙时间，师生将进行一些现象的观察和讨论。
这些现象的观察和讨论，要写入心得体会。
5）由所在地教师安排上机2学时的实验数据处理过程。
尽力编写转换电阻数据为温度数据的插值软件，注意DAT文件的格式和文件操作语句的用法。
有困难者可E-MAIL索要已编好的转换软件。
要求画出温度对时间，PN结偏压对温度，禁带宽度对温度三条曲线。
假设温度T=0K时，禁带宽度是1.17eV。
注意观察三条曲线的趋势和细节，把观察与分析写入心得体会。
6）完成实验报告。
没有心得体会的实验报告评为不及格。
五、[实验数据处理]
电阻温度计的电阻值实验数据，要以厂家提供的电阻温度关系的较准数据为依据（下载温度计较准数据），用插值法编程换算获得对应的温度数据。
实验报告要求用WORD按指定的实验报告规范书写，实验报告中温度对时间的关系曲线、半导体PN结的的偏压对温度的关系曲线、禁带宽度对温度的关系曲线都要用ORIGIN软件和画图板软件制作。
ORIGIN软件有很强的平滑拟合功能，可以从关系曲线求取曲线的经验公式。
在其它近代物理实验中则很少有用ORIGIN软件进行拟合的练习机会。
ORIGIN软件入门：
输入*.dat文件
例如是“温度计.dat”,打开后会出现R（x）和T（y）两列数据。
选定R（x）和T（y）并点击左下方"
line"
图标
可显示R（x）－－T（y）关系曲线
在“Tools”下选“PonynomialFit”可进行多项式拟合
在“Analysis”下选“SimpleMath”可进行平移等简单变化（例如y=y+50）
更多的功能参看帮助文件。
六、[思考与讨论]
1、真空罩外表面起先有少量结霜出现，温度在77K以下之后结霜又会转化为水？
2、画出温度对时间，PN结偏压对温度，禁带宽度对温度三条曲线。
七附：
低温物理实验的远程教学的操作要点
此课件提供2学时的预习和参观及讨论过程,4学时的实验数据采集和数据处理过程.上课提前一个学期与福州大学物理与信息工程学院联系,以便安排时间并通知相关事宜.学生一方应备有宽带网和XP微机，并备好网络通信软件和ORIGIN软件。
1）福州大学一方在“安排公告”中通知网络通信软件的名称和两台服务设备的用户名（或ID字符串），学生一方通过E-MAIL告诉fjwlxh@自己的用户名（或ID字符串）并获得回执认可。
2）在规定上课时间之前用一个小时自习本课件，记住所有生疏的名词和图像。
3）在规定上课时间的最初20分钟内与两台服务设备建立联系，在服务设备方发出的邀请后建立两幅服务设备方图像和一个双向语音通道。
4）在随后的50分钟的时间里，观察教师操作玻璃三通、机械真空泵上电，而后旋开高真空阀门抽真空的过程，听一下机械真空泵音响的变化；
5）做好手记实验数据的准备工作（笔纸、或打开ORIGIN）。
6）由所在地教师安排上机2学时的实验数据处理过程。
7）完成实验报告。
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