文档介绍：半导体PN结的物理特性
实验目的与要求
1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。
2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。
3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。
实验原理
PN 结的物理特性测量
由半导体物理学中有关 PN 结的研究,可以得出 PN 结的正向电流一电压关系满足
(1)
式中I是通过 PN 结的正向电流, I0 是不随电压变化的常数, 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(300 K)下,KT/e =0,026 V,而 PN 结正向压降约为十分之几伏,则 eeU/kT>>l,(1)式括号内-1 项完全可以忽略,于是有
(2)
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(2)式可以求出 e/kT. 在测得温度 T 后,就可以得到 e/k 常数,然后将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,为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性,利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点,常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替 PN结进行测量. 具体线路如图下
实验仪器
PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置
1 、直流电源和数字电压表,包括—15 V——0——+ 15V直流电源、 V直流电源、0——2 V三位半数字电压表、四位半数字电压表.
2、LF356 集成运算放大器,它的各引线脚如 2脚、3 脚、4 脚、6 脚、7 脚由学生用棒针引线
连接;待测样品TIP31型三极管的 e、b、c 三电极可以从机壳右面接线柱接入
3、不诱钢保温杯組合,它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器水银温度计等. (实验时,开始保温杯内为适量室温水,然后根据实验需要加一些热水,以改变槽内水的温度; 测量时应搅拌水,待槽内水温恒定时,进行测量)
实验内容
一、必做部分:
1、在室温(保温杯加入适量的自来水,为什么?)下,测量PN结正向电流与电压的关系。
·粗略测量PN结正向电压U1及正向电流所对应的电压U2之间的关系。(U2何时出现饱合?为什么会出现饱合?)
·由粗测结果确定仔细测量的范围(U2大致的变化范围是多少?);约测12-16组数据。
·用最小二乘法对实验数据分别作线性、指数、乘幂等函数的拟合,由求得的回归系数和标准偏差来判断各函数的优劣。
·计算玻尔兹曼常数k。
2、保持PN结正向电压不变,测量PN结正向电流与温度的关系。
·温差不小于30℃,不少于7组数据。(如何保持PN结的正向电流不变?)
·以此推算反向饱和电流与温度的关系,并计算0K时PN结材料(硅)的禁带宽度。
3、保持PN结正向电流不变,测量PN结正向电压与温度的关系。
·温差不小于30℃,不少于7组数据。
·以此推算正向电压与温度的关系,并计算0K时PN结材料(硅)的禁带宽度。
实验数据记录
1、粗测:
粗测时分为三个阶段,第一阶段是V2<0,此时V1<,当V2=0时,V1=
接下来是第二阶段,V2>0,V1和V2都发生变化,但V2 变化幅度逐渐变小,直至几乎不变,当V2=,不论V1如何变化,V2都几乎不再