天津大学物理试验汇报姓名:专业:班级:学号:试验日期:试验教室:指导老师:【试验名称】PN结物理特征综合试验【试验目】1.在室温时,测量PN结电流与电压关系,证实此关系符合波耳兹曼分布规律2.在不一样温度条件下,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结温度传感器灵敏度5.计算在0K温度时,半导体硅材料近似禁带宽度【试验仪器】半导体PN结物理特征试验仪资产编号:××××,型号:×××（必需填写）【试验原理】1．PN结伏安特征及玻尔兹曼常数测量PN结正向电流-电压关系满足:(1)当初,(1)式括号内-1项完全能够忽略,于是有:(2)也即PN结正向电流随正向电压按指数规律改变。若测得PN结关系值,则利用(1)式能够求出。在测得温度后,就能够得到,把电子电量作为已知值代入,即可求得玻尔兹曼常数。试验线路如图1所表示。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所表示。其中虚线框内电阻为电流-电压变换器等效输入阻抗。运算放大器输入电压为:(3)式(3)中为输入电压,为运算放大器开环电压增益,即图2中电阻时电压增益（称反馈电阻）。所以有:(4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗为(5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流与输出电压之间关系式,即:(6)只要测得输出电压和已知值,即可求得值。3、PN结结电压与热力学温度关系测量。当PN结经过恒定小电流（通常）,由半导体理论可得与近似关系:(7)式中为PN结温度传感器灵敏度。由可求出温度0时半导体材料近似禁带宽度。硅材料约为1.20。【试验内容】（一）关系测定,并进行曲线拟累计算玻尔兹曼常数（）1、在室温情况下,测量三极管发射极与基极之间电压和对应电压。值约从至范围,每隔测一对应电压数据,至达成饱和(改变较小或基础不变)。在统计数据开始和结束时都要统计下变压器油温度,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,反复测量和关系数据,并与室温测得结果进行比较。3、曲线拟合求经验公式:利用最小二乘法将试验数据代入指数函数。求出对应和值。图3图44、玻尔兹曼常数。利用,把电子电量作为已知值代入,求出并与玻尔兹曼常数公认值（）进行比较。（二）关系测定,计算硅材料0时近似禁带宽度值。1、经过调整图3电路中电源电压,使上电阻两端电压保持不变,即电流。同时用电桥测量铂电阻电阻值,得恒温器实际温度。从室温开始每隔5℃－10℃测一组值,统计。2、曲线拟合求经验公式:利用最小二乘法,将试验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常见基础函数(它们是物理学中最常见基础函数),然后求出衡量各回归程序好坏
标准
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差。对已测得和各对数据,认为自变量,作因变量,分别代入:(1)线性函数;(2)乘幂函数;（3）指数函数,求出各函数对应和值,得出三种函数式,到底哪一个函数符合物理规律必需用标准差来检验。措施是:把试验测得各个自变量分别代入三个基础函数,得到对应因变量预期值,并由此求出各函数拟合标准差:用最小二乘法对关系进行直线拟合,求出PN结测温灵敏度及近似求得温度为0时硅材料禁带宽度。【注意事项】数据处理时,对于扩散电流太小(起始状态)以及扩散电流靠近或达成饱和时数据,在处理数据时应删去,因为这些数据可能偏离公式(2)。必需观察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),才能统计和数据。本试验,TIP31型三极管温度可采取范围为0-50℃。仪器含有短路自动保护,通常情况集成电路不易损坏,但请勿将二极管保护装置拆除。【数据统计】（数据仅供参考）1、关系测定。室温条件下:=25.90℃,=26.10℃,=26.00℃0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.3700.0730.1040.1600.2300.3370.4990.7330.3800.3900.4000.4100.4200.4300.4401.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3252、电流I＝100时,关系测定。103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.9123.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.067.074.981.2281.2288.1290.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.6440.6470.6310.6150.6050.5840.5630.5530.5310.5190.5010.495【数据处理】曲线拟合求经验公式,计算玻尔兹曼常数:依据要求用最小二乘法处理数据,假设PN结电流和电压关系满足,所以先要对公式进行线性化处理。因为U2和I是线性关系,即=A*U2,A可视为微小电流转换为电压转换系数。首先以U2替换I,公式改变为A两边取对数:-lnA,令:lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b上式改变为:依据最小二乘法计算公式:(P27页)列表计算:（双击该表可见计算过程）由此可知,相关系数r=0.99972,指数拟合很好,也就说明PN结扩散电流-电压关系遵照指数分布规律。计算玻尔兹曼常数,由表中数据得则:求PN结温度传感器灵敏度S,0时硅材料禁带宽度。用作图法对数据进行处理:（图省略）所画直线斜率,即PN结作为温度传感器时灵敏度,表明PN结是负温度系数。截距（0温度）;则电子伏特。【试验结果】1、测量值与公认值相当一致。试验结果:2、硅在0温度时禁带宽度公认值电子伏特,上述结果与实际大小基础吻合。因为PN结温度传感器线性范围为－50℃－－150℃,在常温时,非线性项将不可完全忽略,所以本试验测得电子伏特是合理。【问
题
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讨论】谈谈自己对本试验体会与提议等。HYPERLINK""\t"_blank"禁带宽度(Bandgap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子能量是不能够连续取值,而是部分不连续能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在能带称为HYPERLINK""\t"_blank"导带（能导电）。被束缚电子要成为自由电子,就必需取得足够能量从而跃迁到导带,这个能量最小值就是禁带宽度。锗禁带宽度为0.66ev;硅禁带宽度为1.12ev;HYPERLINK""\t"_blank"砷化镓禁带宽度为1.43ev。禁带非常窄就成为金属了,反之则成为绝缘体。半导体反向耐压,正向压降都和禁带宽度相关。
浙公网安备 33021202002483