FD-PN-4 PN結(jié)物理特性綜合實(shí)驗(yàn)儀說明書

1、FD-PN-4PN結(jié)物理特性綜合實(shí)驗(yàn)儀（擴(kuò)散電流與結(jié)電壓關(guān)系，結(jié)電壓與溫度T關(guān)系）說明書上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司中國(guó) 上海FDPN4型PN結(jié)物理特性綜合實(shí)驗(yàn)儀（PN結(jié)的伏安特性與溫度特性測(cè)量?jī)x）一、概述 半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性是物理學(xué)和電子學(xué)的重要基礎(chǔ)內(nèi)容之一。本儀器用物理實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量PN結(jié)擴(kuò)散電流與電壓關(guān)系，證明此關(guān)系遵循指數(shù)分布規(guī)律，并較精確地測(cè)出玻爾茲曼常數(shù)(物理學(xué)重要常數(shù)之一),使學(xué)生學(xué)會(huì)測(cè)量弱電流的一種新方法。本儀器同時(shí)提供干井變溫恒溫器和鉑金電阻測(cè)溫電橋，測(cè)量PN結(jié)結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度T關(guān)系，求得該傳感器的靈敏度，并近似求得0K時(shí)硅材料的禁帶寬度。本儀器提供實(shí)驗(yàn)物理內(nèi)容豐富、概

2、念清晰、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高。本儀器主要供大專院校普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)用。儀器穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，很適用于教學(xué)用。二、用途 1、測(cè)量PN結(jié)擴(kuò)散電流與結(jié)電壓關(guān)系，通過數(shù)據(jù)處理證明此關(guān)系遵循指數(shù)分布規(guī)律。 2、較精確地測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)。(誤差一般小于2%) 3、學(xué)習(xí)用運(yùn)算放大器組成電流電壓變換器測(cè)量10-6A至10-8A的弱電流。4、測(cè)量PN結(jié)結(jié)電壓與溫度關(guān)系，求出結(jié)電壓隨溫度變化的靈敏度。5、近似求得0K時(shí)半導(dǎo)體（硅）材料的禁帶寬度。6、學(xué)會(huì)用鉑電阻測(cè)量溫度的實(shí)驗(yàn)方法和直流電橋測(cè)電阻的方法。三、儀器組成及技術(shù)特性 本儀器由四部分組成： 1、直流電源 15V直流電源一組，即+15V0V(地) -15V

3、； 1.5V直流電源一組 2、數(shù)字電壓表 三位半數(shù)字電壓表02V 一只； 四位半數(shù)字電壓表020V 一只； 3、實(shí)驗(yàn)板 由運(yùn)算放大器LF356、印刷引線、接線柱、多圈電位器組成。TIP31型三極管外接。 4、恒溫裝置干井式銅質(zhì)可調(diào)節(jié)恒溫恒溫控制器控溫范圍，室溫至80；控溫精度0.01；5、測(cè)溫裝置鉑電阻及電阻組成直流電橋測(cè)溫0（）。四、保養(yǎng)和維護(hù)1、接12V或15V，但不可接大于15V電源。15V電源只供運(yùn)算放大器使用，請(qǐng)勿作其它用途。2、運(yùn)算放大器7腳和4腳分別接+15V和-15V，不能反接，地線必須與電源0V(地)相接(接觸要良好)。否則有可能損壞運(yùn)算放大器，并引起電源短路。一旦發(fā)現(xiàn)電源短

4、路(電壓明顯下降),請(qǐng)立即切斷電源。3、要換運(yùn)算放大器必須在切斷電源條件下進(jìn)行，并注意腳不要插錯(cuò)。元件標(biāo)志點(diǎn)必須對(duì)準(zhǔn)插座標(biāo)志槽口。4、請(qǐng)勿隨便使用其它型號(hào)三極管做實(shí)驗(yàn)。例TIP31三極管為NPN管，而TIP32型三極管為PNP管，所加電壓極性不相同。5、陶瓷介質(zhì)鉑電阻請(qǐng)勿讓學(xué)生隨便取出，以免損壞陶瓷介質(zhì)及拉斷引線。6、必須經(jīng)教師檢查線路接線正確，學(xué)生才能開啟電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)束應(yīng)先關(guān)電源，才能拆除接線。五、儀器六、儀器及附件1、直流電源、數(shù)字電壓表、溫控儀組合裝置（包括15V直流電源、01.5V及3.0V直流電源、三位半數(shù)字電壓表、四位半數(shù)字電壓表、溫控儀）。2、TIP31型三極管（帶三根引線）1個(gè)

5、，3DG三極管1個(gè)。3、干井銅質(zhì)恒溫器（含加熱器）及小電風(fēng)扇各1個(gè)。4、配件：LF356運(yùn)算放大器各2塊，TIP31型三極管1只，引線9根；用戶自配：ZX21型電阻箱1只。半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性及弱電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)介紹（本實(shí)驗(yàn)講義由復(fù)旦大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心提供）目的：1、在室溫時(shí)，測(cè)量PN結(jié)電流與電壓關(guān)系，證明此關(guān)系符合指數(shù)分布規(guī)律。2、在不同溫度條件下，測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)。3、學(xué)習(xí)用運(yùn)算放大器組成電流-電壓變換器測(cè)量弱電流。4、測(cè)量PN結(jié)電壓與溫度關(guān)系，求出該P(yáng)N結(jié)溫度傳感器的靈敏度。5、計(jì)算在0K溫度時(shí)，半導(dǎo)體硅材料的近似禁帶寬度。原理1、PN結(jié)伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，PN

6、結(jié)的正向電流-電壓關(guān)系滿足： I=I0exp(U/)-1 (1) 式(1)中I是通過PN結(jié)的正向電流，I0是反向飽和電流，在溫度恒定是為常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，是電子的電荷量，U為PN結(jié)正向壓降。由于在常溫(300K)時(shí)，/0.026v ，而PN結(jié)正向壓降約為十分之幾伏，則exp(U/)1,(1)式括號(hào)內(nèi)-1項(xiàng)完全可以忽略，于是有： I=I0exp(U/) (2)也即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測(cè)得PN結(jié)I-U關(guān)系值，則利用(1)式可以求出/。在測(cè)得溫度T后，就可以得到/常數(shù)，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)。 在實(shí)際測(cè)量中，二極管的正向I-U關(guān)系雖然能較好滿足指數(shù)關(guān)

7、系，但求得的常數(shù)往往偏小。這是因?yàn)橥ㄟ^二極管電流不只是擴(kuò)散電流，還有其它電流。一般它包括三個(gè)部分：1擴(kuò)散電流，它嚴(yán)格遵循(2)式；2耗盡層符合電流，它正比于exp(U/2)；3表面電流，它是由Si和SiO2界面中雜質(zhì)引起的，其值正比于exp(U/m),一般m2。因此，為了驗(yàn)證(2)式及求出準(zhǔn)確的/常數(shù)，不宜采用硅二極管，而采用硅三極管接成共基極線路，因?yàn)榇藭r(shí)集電極與基極短接，集電極電流中僅僅是擴(kuò)散電流。復(fù)合電流主要在基極出現(xiàn)，測(cè)量集電極電流時(shí)，將不包括它。本實(shí)驗(yàn)中選取性能良好的硅三極管(TIP31型),實(shí)驗(yàn)中又處于較低的正向偏置，這樣表面電流影響也完全可以忽略，所以此時(shí)集電極電流與結(jié)電壓將滿足

8、(2)式。實(shí)驗(yàn)線路如圖3所示。圖3PN結(jié)擴(kuò)散電源與結(jié)電壓關(guān)系測(cè)量線路圖2、弱電流測(cè)量 過去實(shí)驗(yàn)中10-6A-10-11A量級(jí)弱電流采用光點(diǎn)反射式檢流計(jì)測(cè)量，該儀器靈敏度較高約10-9A/分度，但有許多不足之處。如十分怕震，掛絲易斷；使用時(shí)稍有不慎，光標(biāo)易偏出滿度，瞬間過載引起引絲疲勞變形產(chǎn)生不回零點(diǎn)及指示差變大。使用和維修極不方便。近年來，集成電路與數(shù)字化顯示技術(shù)越來越普及。高輸入阻抗運(yùn)算放大器性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，用它組成電流-電壓變換器測(cè)量弱電流信號(hào)，具有輸入阻抗低，電流靈敏度高。溫漂小、線性好、設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)牢靠等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于物理測(cè)量中。 LF356是一個(gè)高輸入阻抗集成運(yùn)算放

9、大器，用它組成電流-電壓變換器(弱電流放大器),如圖4所示。其中虛線框內(nèi)電阻Zr為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。由圖4可，運(yùn)算放大器的輸入電壓U0為： U0=-K0Ui (3)圖4電流電壓變換器式(3)中Ui為輸入電壓，K0為運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓增益，即圖4中電阻Rf時(shí)的電壓增益，Rf稱反饋電阻。因?yàn)槔硐脒\(yùn)算放大器的輸入阻抗ri ,所以信號(hào)源輸入電流只流經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的通路。因而有： IS=(Ui-UO)/Rf=Ui(I+KO)/Rf (4)由（4）式可得電流-電壓變換器等效輸入阻抗Zr為 Zr=Ui/Is=Rf/(1+K0)Rf/K0 (5)由(3)式和(4)式可得電流-電壓變換器輸入電流I

10、s輸出電壓U0之間得關(guān)系式，即： IS=-(1+K0)/Rf=-U0(1+1/K0)/Rf=-U0/Rf (6)由(6)式只要測(cè)得輸出電壓U0和已知Rf值，即可求得IS值。以高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器LF356為例來討論Zr和IS值得大小。對(duì)LF356運(yùn)放的開環(huán)增益K0=2105，輸入阻抗ri1012。若取Rf為1.00M，則由(5)式可得： Zr=1.00106/(1+2105)=5若選用四位半量程200mV數(shù)字電壓表，它最后一位變化為0.01mV ，那么用上述電流-電壓變換器能顯示最小電流值為：（IS）min=0.0110-3V/(1106)=110-11A由此說明，用集成運(yùn)算放大器組成電流

11、-電壓變換器測(cè)量弱電流，具有輸入阻抗小、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。3、PN結(jié)的結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度T關(guān)系測(cè)量。當(dāng)PN結(jié)通過恒定小電流（通常電流I1000A），由半導(dǎo)體理論可得與T近似關(guān)系：（5）式中S2.3為PN結(jié)溫度傳感器靈敏度。由可求出溫度0K時(shí)半導(dǎo)體材料的近似禁帶寬度。硅材料的約為1.20eV。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（一）關(guān)系測(cè)定，并進(jìn)行曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)。（）1、實(shí)驗(yàn)線路如圖3所示。圖中U1為三位半數(shù)字電壓表，U2為四位半數(shù)字電壓表，TIP31型為帶散熱板的功率三極管，調(diào)節(jié)電壓的分壓器為多圈電位器，為保持PN結(jié)與周圍環(huán)境一致，把TIP31型三極管浸沒在盛有變壓器油干井槽中。變壓器油溫度用鉑電

12、阻進(jìn)行測(cè)量。 2、在室溫情況下，測(cè)量三極管發(fā)射極與基極之間電壓U1和相應(yīng)電壓U2。在常溫下U1的值約從0.3V至0.42V范圍每隔0.01V測(cè)一點(diǎn)數(shù)據(jù)，約測(cè)10多數(shù)據(jù)點(diǎn)，至U2值達(dá)到飽和時(shí)(U2值變化較小或基本不變),結(jié)束測(cè)量。在記數(shù)據(jù)開始和記數(shù)據(jù)結(jié)束都要同時(shí)記錄變壓器油的溫度，取溫度平均值。3、改變干井恒溫器溫度，待PN結(jié)與油溫濕度一致時(shí)，重復(fù)測(cè)量U1和U2的關(guān)系數(shù)據(jù)，并與室溫測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較。4、曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公式：運(yùn)用最小二乘法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入線性回歸、指數(shù)回歸、乘冪回歸這三種常用的基本函數(shù)(它們是物理學(xué)中最常用的基本函數(shù)),然后求出衡量各回歸程序好壞的標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)已測(cè)得的U1和U2

13、各對(duì)數(shù)據(jù)，以U1為自變量，U2作因變量，分別代入：(1)線性函數(shù)U2=aU1+b；(2)乘冪函數(shù)U2=aU1b；（3）指數(shù)函數(shù)U2=aexp(bU1)。求出各函數(shù)相應(yīng)的a和b值，得出三種函數(shù)式，究竟哪一種函數(shù)符合物理規(guī)律必須用標(biāo)準(zhǔn)差來檢驗(yàn)。辦法是：把實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各個(gè)自變量U1分別代入三個(gè)基本函數(shù)，得到相應(yīng)因變量的預(yù)期值U2*,并由此求出各函數(shù)擬合的標(biāo)準(zhǔn)差： =式中n為測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，Ui為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的因變量，Ui*為將自變量代入基本函數(shù)的因變量預(yù)期值，最后比較哪一種基本函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差最小，說明該函數(shù)擬合得最好。5、計(jì)算/常數(shù)，將電子的電量作為標(biāo)準(zhǔn)差代入，求出玻爾茲曼常數(shù)并與公認(rèn)值進(jìn)行比較。（二）關(guān)系測(cè)

14、定，求PN結(jié)溫度傳感器靈敏度S，計(jì)算硅材料0K時(shí)近似禁帶寬度值。圖5圖61、實(shí)驗(yàn)線路如圖5所示，測(cè)溫電路如圖6所示。其中數(shù)字電壓表V2通過雙刀雙向開關(guān)，既作測(cè)溫電橋指零用，又作監(jiān)測(cè)PN結(jié)電流，保持電流I100A用。2、通過調(diào)節(jié)圖5電路中電源電壓，使上電阻兩端電壓保持不變，即電流I100A。同時(shí)用電橋測(cè)量鉑電阻的電阻值，通過查鉑電阻值與溫度關(guān)系表，可得恒溫器的實(shí)際濕度。從室溫開始每隔510測(cè)一定值（即V1）與溫度（）關(guān)系，求得關(guān)系。（至少測(cè)6點(diǎn)以上數(shù)據(jù)）3、用最小二乘法對(duì)關(guān)系進(jìn)行直線擬合，求出PN結(jié)測(cè)溫靈敏度S及近似求得溫度為0K時(shí)硅材料禁帶寬度。注意事項(xiàng)：1、數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)于擴(kuò)散電流太小(起始

15、狀態(tài))及擴(kuò)散電流接近或達(dá)到飽和時(shí)的數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)刪去，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)可能偏離公式(2)。2、必須觀測(cè)恒溫裝置上溫度計(jì)讀數(shù)，待TIP31三極管溫度處于恒定時(shí)(即處于熱平衡時(shí)),才能記錄U1和U2數(shù)據(jù)。3、用本裝置做實(shí)驗(yàn)，TIP31型三極管溫度可采用的范圍為0-50。若要在-120-0溫度范圍內(nèi)做實(shí)驗(yàn)，必須有低溫恒溫裝置。4、由于各公司的運(yùn)算放大器(LF356)性能有些差異，在換用LF356時(shí)，有可能同臺(tái)儀器達(dá)到飽和電壓U2值不相同。5、本儀器電源具有短路自動(dòng)保護(hù)，運(yùn)算放大器若 15V接反或地線漏接，本儀器也有保護(hù)裝置，一般情況集成電路不易損壞。請(qǐng)勿將二極管保護(hù)裝置拆除。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例：1、關(guān)系測(cè)

16、定，曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)。室溫條件下: =25.90， =26.10，=26.00表1U1/V0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U2/V0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733U1/V0.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440U2/V1.0941.5752.3483.4955.1517.52811.325以U1為自變量，U2為因變量，分別進(jìn)行線性函數(shù)、乘冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的擬合，結(jié)果見表2：表2線性回歸U2=a U1+b乘冪回歸U2=a U1b指數(shù)回歸U2=exp(b U1)nU1/VU

17、2/VU2*/V(U2-U2*)2/V2U2*/V(U2-U2*)2/V 2U2*/V(U2-U2*)2/V 210.3100.073-1.9444.070.0828.110-50.0721.010-620.3200.104-1.2641.870.1141.010-40.1064.010-630.3300.160-0.5840.550.16000.1561610-640.3400.2300.0960.020.2279.010-60.230050.3500.3370.7750.190.3251.4410-40.3394.010-660.3600.4991.4550.910.4689.6110-3

18、0.5001.010-670.3700.7332.1351.970.6802.8110-30.7382510-680.3801.0942.8152.960.9999.0210-31.0874910-690.3901.5753.4953.691.4838.4610-31.6037.8410-4100.4002.3484.1753.342.2251.5110-22.3621.9610-4110.4103.4954.8551.853.3791.3410-23.4821.6910-4120.4205.1515.5350.155.1962.0210-25.1333.2410-4130.4307.5286

19、.2151.728.0970.327.5661.4410-3140.44011.3256.89419.6312.7952.1611.1520.0291.80.420.048r0.84270.99860.9999a、ba=67.99,b=-23.02a=1.5610,b=10.37a=4.4710,b=38.79由表2可知，指數(shù)回歸擬和的最好，也就說明PN結(jié)擴(kuò)散電流-電壓關(guān)系遵循指數(shù)分布規(guī)律。計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)由表2數(shù)據(jù)得=bT =38.79(273.15+26.00)=1.160104則 =1.3810-23 此結(jié)果與公認(rèn)值k=1.38110-23 相當(dāng)一致。2、電流I100時(shí)，關(guān)系測(cè)定，求PN結(jié)溫度傳感器的靈敏度S，計(jì)算0K進(jìn)硅材料的近似禁帶寬度。表3關(guān)系測(cè)定T/K103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.9123.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.067.074.981.2281.2288.1290.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.6440.6470.6310.6150.6050.5840.5630.5530.5310.5