實驗55 PN結正向電壓溫度特性的測定0

1、T 8.253x 10-4 + 2.045 x 104 ln36000V +1.144x 10-7（ln36000V）3 ”檢根據(jù)（4）式，利用科學工作室的“實驗計算機”功能，可以對溫度進行實時測量。3.2.2電壓測量方法電壓的測量采用PASCO公司提供的電壓傳感器，由于采集的電壓是經過放大的，因此其實際的電壓 輸出為V A（。為經放大后的電壓，A為放大器的放大倍數(shù)）。根據(jù)該式，應用科學工作室的“用戶自 訂傳感器”的功能進行電壓的測量。(4)大學物理實驗教案實驗名稱：PN結正向電壓溫度特性的測定1實驗目的1）了解PN結正向電壓隨溫度變化的基本規(guī)律。2）掌握用計算機測繪恒流條件下PN結正向電壓隨

2、溫度變化的關系曲線。3）確定PN結的測溫靈敏度。2實驗儀器科學工作室接口、放大器、恒流源、計算機3實驗原理3.1實驗原理PN結是半導體器件的核心。在P （或N）型半導體中，用雜質補償?shù)姆椒▽⑵渲幸徊糠植牧限D變成N （或P）型，這樣，在兩種材料交界處就形成7PN結，它保持了兩種材料之間晶格的連續(xù)性。P區(qū)多子空 穴比N區(qū)少子空穴濃度大，空穴由P區(qū)向N區(qū)擴散，并與N區(qū)的多子自由電子復合，在N區(qū)產生正離子 的電荷區(qū)；N區(qū)多子自由電子比P區(qū)少子自由電子濃度大，自由電子由N區(qū)向P區(qū)擴散，并與P區(qū)的多子 空穴復合，在P區(qū)產生負離子的電荷區(qū)。P區(qū)和N區(qū)的電荷區(qū)之間形成電場，在此電場作用下產生與擴散 運動相反的

3、情況，它阻止擴散運動的進一步加強。最終形成兩種運動的動態(tài)平衡。我們把這個空間電荷區(qū) 叫PN結，有時也叫作耗盡層。根據(jù)半導體理論，通過PN結的正向電流(1)IfV I式中：f正向電流（mA）； f正向壓降（V）； s反向飽和電流（mA）； q電子電量（e）；k波爾茲曼常數(shù)；T熱力學溫度（K）。J TR Q qVgo1 = AiBe- _而：skT（2）式（2）中：V 一能帶間隙電壓（V）； A、B由PN結工藝結構所決定的常數(shù)。由（1）、（2）式經整理后，PN結正向壓降的溫度靈敏度S為：(3)s= -（LT + 也）dTTq根據(jù)這一特性，PN結可作為溫度傳感器來使用。3.2實驗方法本實驗通過電加熱

4、的方法提供給PN結一個溫度可以變化的熱源，利用精確的溫度傳感器測量溫度。 把待測的PN結放置熱源中，并利用恒流源給定待測PN結一個恒定電流，PN結兩端則接入一高穩(wěn)定放大 器進行電壓放大后，連接到自定義電壓傳感器來測量電壓。溫度傳感器和電壓傳感器測量到的信號分別輸 入到500型科學工作室接口上，通過串行口與計算機連接，對電壓隨溫度變化的數(shù)值進行實時采集。3.2.1溫度測量方法溫度測量采用美國PASCO公司提供的溫度傳感器，其溫度輸入與電壓輸出的關系式為13.3實驗內容3.3.1裝置安裝及連接1）按圖551連接好實驗裝置。電壓傳感器連接到500型科學工作室的B接口，傳感器的另外一 端紅色和黑色插頭

5、則分別接到電壓放大器對應的紅、黑輸出端。恒流源的“+”輸出端接到PN結的+” 端，-”端則連接到PN結的“-”端。電壓放大器的“+”、-”輸入端，同時分別接入恒流源的“+”、-” 輸入端。2）待測PN結和溫度傳感器則分別接入恒流源的“+”、-”輸出端。3）待測PN結置入加熱裝置中，熱敏電阻溫度傳感器接入科學工作室接口的C 口上。3.3.2電壓傳感器的設置1）熟悉PASCO科學工作室的軟件功能及使用方法。2）打開500型接口電源，點擊科學工作室小圖標，則軟件自動進入工作界面。如圖 552所示。3）進行科學工作室的數(shù)據(jù)采集設置。用鼠標選中模擬通道圖標，按住鼠標左鍵并拖動到B接口。在 傳感器列表框中

6、選擇“電壓傳感器”，點擊確定。用相同方法為C接口選擇“自訂傳感器”。結果如圖55 一2所示。4）電壓傳感器的設置。鼠標移動至B接口下的“電壓傳感器”圖標并雙擊。系統(tǒng)默認的電壓高值為 10V，電壓低值為-10V。按圖553所示進行相關參數(shù)的設定。在“高值”的空格中填入的數(shù)據(jù)為放大器 上電壓示值與放大倍數(shù)相比的結果。點擊確定。蜀V電壓傳感器調校量度調校單位：伏特電壓：高值：110.000讀翠低值：00讀取現(xiàn)時值：-2000.000-10.00靈敏度：低（一倍）3取消 | 確定圖553電壓傳感器參數(shù)設置圖3.3.3溫度傳感器的設置1）為C 口設置一個溫度傳感器。2）溫度傳感器的計算公式。點擊科學工作

7、室主界面“實驗”下拉菜單，從下拉菜單中選中“計算 機視窗”，然后在彈出的“實驗計算機”（如圖554所示）進行傳感器設置。在計算名稱框中填寫“溫度”， 簡稱框輸入“T”，單位框輸入“?！钡茸謽印６蟀椿剀囨I，緊接著進行計算公式編輯，在編輯框中輸入 計算公式：1T =273.158.253 x 10-4 + 2.045 x 10-4 ln36000V +1.144 x 10-7 （ln36000V）3式中的指數(shù)、對數(shù)可從f（的標準函數(shù)取得，電壓輸入可從點擊Input鍵后連接到接口 C，并選中電壓 傳感器，公式編輯好再按回車鍵，計算機便可把“C” 口采到溫度傳感器的輸出電壓輸入到公式中進行計ente

8、rJreturnJ汗沛計算計歧名稱溫度|國實食初:算并給出計算結果。圖554實驗計算機3.3.4數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)顯示的設置把二維圖表拖入到B或C 口，橫坐標軸選“實驗計算機”，縱坐標軸選電壓V。用鼠標點采樣選項， 單選項點慢，采樣周期為5秒左右。3.3.5 PN結正向壓降溫度特性的測定1）待測樣品選擇二極管，接入恒流源。打開恒流源開關，調節(jié)其輸出使二極管飽導通。2）雙擊REC圖標，計算機開始進行數(shù)據(jù)采集，接通加熱裝置電源，使其溫度從低到高慢慢升高， 觀察計算機顯示的VbT關系曲線。當溫度接近90 0C時，用鼠標點擊“Stop”圖標停止數(shù)據(jù)采集，同時斷 開加熱裝置的開關停止加熱。3）在曲線上確定兩

9、點，用坐標測量工具測量對應的數(shù)據(jù)。4教學內容簡要講解實驗原理（PN結半導體器件的工作原理）。介紹有關儀器及其使用方法（溫度傳感器與電壓傳感器的使用），在講解科學工作室的使用時結合 提問題檢查學生的預習情況，讓學生學會用實驗計算機來設定非線性輸入輸出的用戶自定義傳感器的各項 參數(shù)。講解實驗操作要領及操作難點。恒流源的恒定電流I =1mA（錯管）或I =28mA（硅管），不宜太大太小，恒流源不宜空載，在更換二極 管時，一定要關閉電源開關。加熱過程中要保證傳感器探頭、PN結與加熱器接觸良好。用投影儀邊演示邊讓學生學習使用500型科學工作室，操作上要注意軟件的接口連接及設置。檢查學生實驗狀況及測量結果

10、，并給出相應的評定結果。根據(jù)評分標準批改實驗報告并給出成績。5實驗教學組織及教學要求教學組織1檢查學生的預習實驗報告，同時給學生5-10分鐘時間熟悉儀器，對本實驗有一定的感 性認識。2講解實驗要點及注意事項，同時以提問的方式檢查學生的預習情況，加深學生對實驗 原理的理解。3隨時注意學生的實驗操作過程，及時指導解決學生實驗中出現(xiàn)的突發(fā)情況。4檢查每個學生的實驗數(shù)據(jù)，記錄實驗情況。教學要求1）了解PN結半導體器件的工作原理。2培養(yǎng)學生運用計算機進行綜合物理實驗的能力。2）培養(yǎng)學生會使用500型科學工作室，會用實驗計算機來設定非線性輸入輸出的用戶自定義傳 感器的各項參數(shù)。6實驗教學重點及難點1）重點

11、：PN結正向壓降溫度特性的測定。2）難點：熟練使用500型科學工作 室，會用實驗計算機來設定非線性輸入輸出的用戶自定義傳感器的各項參數(shù)。7實驗中容易出現(xiàn)的問題1）實驗計算機中的公式輸入。2）傳感器的各項設置。3）與加熱器的各接觸點不夠緊密。8實驗參考數(shù)據(jù)表一錯管正向壓降隨溫度變化數(shù)據(jù)1= 1 mAT (C)V (v)a 2(vC)31.5590.33761-0.0016533V _ 0.25719 0.3：80.3710.25719T80.371 - 31.5(v/C)Uv g * = = 4.1 x 10-5(v)TTw 2AmT巨 x 0.005-3Ut = * 2U m =4.1 x 1

12、0 3TBT攔3(C)Ek4.1 x 10 - 5,20.08042J4.1 x 10 - 3+ 48.812J=5.2 x 10- 4 = 5 x 10- 4Uk = kEk = 0.001648 x 5-2 x 10-4 = X10-7 =9 X10-7(v/c)k = k + Uk = (1.648 土 0.001) x 10-3 (V：C)Ek =0.05%(P=0.683)檢查采集到的PN結正向壓降隨溫度變化分布圖是否合理。10課堂實驗預習檢查題目1）學生預習報告是否完整（實驗項目、實驗目的、實驗原理、實驗步驟、記錄表格等）？2）PASCO科學工作室的有關設置及使用，B、C 口分別接什么傳感器？用于測