成都信息工程学院

物理实验报告

姓名： 石朝阳 专业： 班级： 学号： 实验日期： 2009-9-15下午 实验教室： 5102-1 指导教师： 【实验名称】 PN结物理特性综合实验 【实验目的】

1. 在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律 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 【实验仪器】

半导体PN结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】

1．PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN结的正向电流-电压关系满足：

I?I0[exp(eU/kT)?1] (1)

当exp?eU/kT???1时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：

I?I0exp(eU/kT) (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

e/kT。在测得温度T后，就可以得到e/k，把电子电量e作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。

实验线路如图1所示。

1MeTIP31b723+15V6TIP31bce1.5V100ΩV1c-+LF35648765-15VV2LF3561234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

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Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。

Rf-+IsKoU0IsZrUi图2 电流－电压变换器

运算放大器的输入电压U0为：

U0??K0Ui (3)

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2中电阻Rf??时的电压增益（Rf称反馈电阻）。因而有：

Is?Ui?U0Rf?Ui(1?K0)Rf (4)

由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Zx为

Zx?UiIs?Rf1?K0?RfK0 (5)

由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流Is与输出电压U0之间的关系式，即：

Is?UiZr??U0Rf (6)

只要测得输出电压U0和已知Rf值，即可求得Is值。 3、PN结的结电压Ube与热力学温度T关系测量。

当PN结通过恒定小电流（通常I?100?A），由半导体理论可得Ube与T的近似关系：

Ube?ST?Ugo (7)

式中S??2.3mV/oC为PN结温度传感器灵敏度。由Ugo可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度Ego?qUgo。硅材料的Ego约为1.20eV。 【实验内容】

（一）Ic?Ube关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（Ube?U1）

U1的值约从0.30V至0.50V1、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。

范围，每隔0.01V测一相应电压U2的数据，至U2达到饱和(U2变化较小或基本不变)。在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度?，取温度平均值?。

?2、改变干井恒温器温度，待PN结与油温一致时，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。

3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数U2?aexp?bU1?。求出相应的a和b值。

4、玻尔兹曼常数k。利用b?e/kT，把电子电量e作为已知值代入，求出k并与玻尔兹曼常数公认

R1V1RTR2R43VV2RV2图3 图4

值（k0?1.381?10?23）进行比较。

（二）Ube?T关系测定，计算硅材料0K时近似禁带宽度Ego值。

1、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I?100?A。同时用电桥测量铂电阻RT的电阻值，得恒温器的实际温度。从室温开始每隔5℃－10℃测一组Ube值，记录。

2、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?a?exp(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：

n* ?????(Ui?12*2?U2)/n?? 用最小二乘法对Ube?T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Ego。 【注意事项】

1. 数据处理时，对于扩散电流太小(起始状态)以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. 本实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。

4. 仪器具有短路自动保护，一般情况集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。 【数据记录】（数据仅供参考）

?1、Ic?Ube关系测定。 室温条件下:?1 =25.90℃，?2 =26.10℃，?=26.00℃