4實驗四低溫的獲得與測量,半導(dǎo)體PN結(jié)低溫特性匯編

1、實驗四 低溫的獲得與測量及半導(dǎo)體的低溫特性溫度降低，物質(zhì)的物理性質(zhì)將發(fā)生變化， 由此提供了研究物質(zhì)物性的新方向和新技術(shù)， 進一步揭開物質(zhì)世界的奧秘。 低溫物理已成為物理學(xué)科的一個重要分支， 低溫技術(shù)在很多 領(lǐng)域獲得了重要的應(yīng)用， 如低溫超導(dǎo)技術(shù)；空間技術(shù)中使用低溫技術(shù)來獲得火箭燃料液氫、 液氧；用低溫技術(shù)模擬宇宙空間的真空和低溫環(huán)境， 以便進行太空模擬試驗； 用低溫技術(shù) 可較長時間保存人體或生物的活組織，為醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域的研究開辟了新的途徑。一、實驗?zāi)康?掌握低溫獲得與測量的原理與方法。 2了解閉循環(huán)低溫系統(tǒng)的原理，了解氦致冷機和真空系統(tǒng)的技術(shù)背景、測量技術(shù)。 3了解半導(dǎo)體 PN 結(jié)的低溫特

2、性，培養(yǎng)學(xué)生的低溫實驗技能和實驗數(shù)據(jù)處理能力。二、實驗儀器閉循環(huán)氦氣制冷機系統(tǒng)，數(shù)字萬用表，電阻溫度測量計等三、實驗原理1、低溫產(chǎn)生的原理：制冷的方法很多，常見的主要是以下四種：液體汽化制冷、氣體膨脹制冷、渦流管制 冷及其熱電制冷。其中應(yīng)用最廣泛的就是液體汽化制冷（原理），它常見的應(yīng)用形式又有 以下四種：蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷、蒸汽噴射式制冷和吸附式制冷。蒸汽壓縮式制 冷和吸收式制冷是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種制冷方式。蒸汽壓縮式制冷方法是消耗機械功來制取冷量。壓縮機先把制冷工質(zhì)（ 可以是氨、氟 里昂、空氣、氫氣、氦氣或其他氣體 ） 壓縮，用冷卻水或風(fēng)冷把壓縮氣體的發(fā)熱帶走；經(jīng) 換熱器預(yù)冷后的

3、壓縮氣體工質(zhì)經(jīng)膨脹機膨脹降溫制冷或通過節(jié)流閥降溫。 用氨作為制冷工 質(zhì)，最冷能達到零下 33.5C,用氟里昂-14 最低能達零下 128C。最低溫度是以制冷工質(zhì) 的凝固點為限，用氦氣作為制冷工質(zhì)可以達到零下 271T。蒸汽壓縮式制冷原理如圖 42-1 所示?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了其他制冷方法，諸如半導(dǎo)體溫差制冷，渦流管制冷，吸收式制 冷，脈沖管制冷，太陽能光-電轉(zhuǎn)換制冷和光-熱轉(zhuǎn)換制冷等等；在極低溫領(lǐng)域還有3He-4He 的稀釋制冷（可達絕對溫度 10-3K），順磁鹽絕熱去磁制冷（可達 10-3K 溫度）和核去磁制冷（可 達到10-6-10-8K 低溫）等方法。2、半導(dǎo)體低溫特性在小注入和突變結(jié)

4、耗盡層近似的條件下， 如果不考慮結(jié)區(qū)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合， 并且 假設(shè)在耗盡層兩端載流子滿足玻耳茲曼分布，可以導(dǎo)出PN 結(jié)的電壓一電流（密度）方程qvJ二Js（e訐-1）（42-1）這就是著名的肖克萊（Shockley）方程，反映了在一定溫度 T 下，J V 之間的關(guān)系。（42-1）式中沒有將 Js 依賴于 T 的關(guān)系表達成顯函數(shù)，而把 T 和 Js 都作為參量。在本實 驗中，為了了解 PN 結(jié)的溫度特性，將 J 作為固定參數(shù)，把（42-1）式寫成 VT 的函數(shù)。肖克萊方程中qDnnpqDpn%LnLp(42-2)圖 42-1 蒸汽壓縮式制冷原理式中 Dn、Dp和 Ln、Lp是電子、空穴的擴散系

5、數(shù)和平均擴散長度；np0和 pn0是 P 區(qū) 和 N區(qū)的少子濃度。（42-2）式中第一項和第二項具有相同的形式，因此只須研究第一項而把第二項的作用近似地包含在一個比例因子中。Dn、Ln和 npo都是依賴于溫度 T 的量,又據(jù)半導(dǎo)體理論 T 對 Js 的關(guān)系可以表示為3電Js尤 T2ekT(42-3)其中常數(shù) E , Eg是禁帶寬度。將(42-3)式代入(42-1)式，并令Eg= qVg, J=JD在室溫下，kT/q P.026 V, 般外加正向偏壓約零點幾伏時，eqV/kTl ,故可近似得 到兩邊取對數(shù)，整理后得到kJ0rVIn-(3 -)ln TT VgqA2g在正常情況下，VarB( CD

6、D)HDiHP0.99W92,-4913CO,JOrder- Fonan il FH of A_TError陽Waght廣CovfMfnKe Cmidf；IPre ActHni Bindsr IfllTITLED圖 42-8附錄四溫度計校準(zhǔn)表（小數(shù)位補齊）表 42-1電阻（W）溫度（K）電阻（W）溫度（K）電阻（W）溫度（K）2.751.2066.832.625:11.7P 72.1372.81.3656.8533.26611.872.7222.851.5246.933.911.973.3052.91.6836.9534.526:12P 73.8842.951.843735.14412.174

7、.4632.0057.0535.75412.275.0343.05612.3P 75.6043.12.3367.1536.9512.476.1723.152.5067.237.53612.576.7383.22.6787.2538.113:12.6P 77.3013.252.8547.338.68212.777.8633.33.0337.3539.24412.878.4223.353.2157.439.79712.978.983.43.4017.4540.3421379.5363.453.5917.540.8813.280.6433.53.7847.5541.4113.

8、481.7453.553.9827.641.93313.682.8413.64.1837.6542.44913.883.9333.654.3897.742.9571485.0543.45914.286.1023.754.8157.843.95414.487.1793.85.0347.8544.44314.688.2493.855.2597.944.92514.889.3113.95.4887.9545.4011590.3693.955.723845.87115.291.42245.9638.0546.33615.492.472I圖喇圖圖囲創(chuàng)國 耳曷煽舊I曰 刪I圍啟I晶IK

9、H: lilli-NithAvdilable Data:3Tiftpo IK*112.75SLMfi漢 B51.JB5了20551-524?-A51 8召Z.U551.U4152.(1073.05：52.17u5-2.336fl3.1557.5Df1iO52,678A THEI;Pflpcralcr;f (*/*)Y=1汁 .Y,YI：d?i uriiumb4.056.2088.146.79415.693.5184.1P 6.4598.1547.248:15.8P 94.564.156.7168.247.69616788.2548.13916.296.6364.25P7.2

10、478.348.577:16.4P 97.674.37.5218.3549.01116.698.7014.357.8018.449.4416.899.734.48.0888.4549.864:17100.7574.458.3828.550.28417.2101.7824.58.6818.5550.717.4102.8064.55P8.9888.651.113:17.6:103.8274.69.3018.6551.52117.8104.8474.659.6228.751.92518105.8664.7P9.958.7552.327118.2:106.8844.7510.2858.852.7241

11、8.4107.9014.810.6298.8553.11818.6108.9164.85:10.988.953.50918.8P 109.9314.911.348.9553.89719110.9464.9511.708954.28220116.015:12.0869.0554.664:21:121.075.0512.4739.155.04322126.1355.112.879.1555.4223131.2115.1513.2779.255.793:24959.2556.16425141.4065.2514.1249.356.53326146.535.3P14.5649.

12、3556.89927:151.6715.3515.0169.457.26328156.8295.415.4819.4557.62529162.0045.4515.9589.557.98430:167.1955.516.4489.5558.34131172.4025.5516.9519.658.69632177.6235.617.4679.6559.04933:182.8595.6517.9979.759.434188.115.718.549.7559.74835193.3745.7519.0979.860.09536198.6515.819.6679.8560.4437203.9415.852

13、0.259.960.78438209.2435.920.8459.9561.12539214.5575.9521.4531061.46440219.88622.07210.162.13841225.2216.0522.70110.262.80542230.5516.123.3410.363.46643235.8976.1523.98710.464.1244241.256.224.64310.564.76845246.6086.2525.30410.665.4146P 251.9726.325.9710.766.04647257.3436.3526.63910.866.67748262.7186.427.31110. 96