文档介绍：实验42 1四低温的获得与测量及半导体的低温特性
温度降低,物质的物理性质将发生变化,由此提供了研究物质物性的新方向和新技术,进一步揭开物质世界的奥秘。低温物理已成为物理学科的一个重要分支,低温技术在很多领域获得了重要的应用,如低温超导技术;空间技术中使用低温技术来获得火箭燃料液氢、液氧;用低温技术模拟宇宙空间的真空和低温环境,以便进行太空模拟试验;用低温技术可较长时间保存人体或生物的活组织,为医学、生物等领域的研究开辟了新的途径。
一、实验目的
。
,了解氦致冷机和真空系统的技术背景、测量技术。
,培养学生的低温实验技能和实验数据处理能力。
二、实验仪器
闭循环氦气制冷机系统,数字万用表,电阻温度测量计等
三、实验原理
1、低温产生的原理:
制冷的方法很多,常见的主要是以下四种:液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及其热电制冷。其中应用最广泛的就是液体汽化制冷(原理),它常见的应用形式又有以下四种:蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷。蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是目前应用最为广泛的两种制冷方式。
蒸汽压缩式制冷方法是消耗机械功来制取冷量。压缩机先把制冷工质(可以是氨、氟里昂、空气、氢气、氦气或其他气体)压缩,用冷却水或风冷把压缩气体的发热带走;经换热器预冷后的压缩气体工质经膨胀机膨胀降温制冷或通过节流阀降温。用氨作为制冷工质,℃,用氟里昂-14最低能达零下128℃。最低温度是以制冷工质的凝固点为限,用氦气作为制冷工质可以达到零下271℃。蒸汽压缩式制冷原理如图42-1所示。
图42-1 蒸汽压缩式制冷原理
科学技术的发展出现了其他制冷方法,诸如半导体温差制冷,涡流管制冷,吸收式制冷,脉冲管制冷,太阳能光-电转换制冷和光-热转换制冷等等;在极低温领域还有3He-4He的稀释制冷(可达绝对温度10-3K),顺磁盐绝热去磁制冷(可达10-3K温度)和核去磁制冷(可达到10-6-10-8K低温)等方法。
2、半导体低温特性
在小注入和突变结耗尽层近似的条件下,如果不考虑结区载流子的产生和复合,并且假设在耗尽层两端载流子满足玻耳兹曼分布,可以导出 PN 结的电压一电流(密度)方程
(42-1)
这就是著名的肖克莱(Shockley)方程,反映了在一定温度 T 下,J ~V之间的关系。(42-1)式中没有将Js 依赖于T 的关系表达成显函数,而把T和Js 都作为参量。在本实验中,为了了解PN 结的温度特性,将 J 作为固定参数,把(42-1)式写成V~T的函数。
肖克莱方程中
(42-2)
式中 Dn、Dp 和 Ln、Lp 是电子、空穴的扩散系数和平均扩散长度;np0和p n0 是 P 区和 N 区的少子浓度。(42-2)式中第一项和第二项具有相同的形式,因此只须研究第一项而把第二项的作用近似地包含在一个比例因子中。D
n、Ln和np0都是依赖于温度 T 的量,又据半导体理论 T 对 Js 的关系可以表示为
(42-3)
其中常数 r≈1 ,Eg是禁带宽度。将(42-3)式代入(42-1)式,并令
E g= qV g ,J=J0
在室温下,kT/q ≈ V,一