實(shí)驗(yàn)報(bào)告半導(dǎo)體PN結(jié)物理特性弱電流測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特色及弱電流丈量(精)實(shí)驗(yàn)報(bào)告半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特色及弱電流丈量(精)7/7實(shí)驗(yàn)報(bào)告半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特色及弱電流丈量(精)成都信息工程學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：實(shí)驗(yàn)日期：石旭日2009-9-15專(zhuān)業(yè)：下午實(shí)驗(yàn)教室：班級(jí)：5102-1學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：【實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)】PN結(jié)物理特色綜合實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹吭谑覝貢r(shí)，丈量PN結(jié)電流與電壓關(guān)系，證明此關(guān)系符合波耳茲曼散布規(guī)律在不一樣樣溫度條件下，丈量玻爾茲曼常數(shù)學(xué)慣用運(yùn)算放大器構(gòu)成電流-電壓變換器丈量弱電流丈量PN結(jié)電壓與溫度關(guān)系，求出該P(yáng)N結(jié)溫度傳感器的敏捷度計(jì)算在0K溫度時(shí)，半導(dǎo)體硅資料的近似禁帶寬度【實(shí)驗(yàn)儀器】半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特

2、色實(shí)驗(yàn)儀財(cái)產(chǎn)編號(hào)：，型號(hào)：（必然填寫(xiě)）【實(shí)驗(yàn)原理】1PN結(jié)的伏安特色及玻爾茲曼常數(shù)丈量PN結(jié)的正向電流-電壓關(guān)系知足：II0exp(eU/kT)1(1)當(dāng)expeU/kT1時(shí),(1)式括號(hào)內(nèi)-1項(xiàng)完滿(mǎn)能夠忽視，于是有：II0exp(eU/kT)(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)IU關(guān)系值，則利用(1)式能夠求出e/kT。在測(cè)得溫度T后，就能夠獲取e/k，把電子電量e作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)k。實(shí)驗(yàn)線路如圖1所示。1MTIP317+15VTIP311001.5Vec2-6bceLF356b3+8765V4-15VV12LF3561234圖1PN結(jié)擴(kuò)散電源與

3、結(jié)電壓關(guān)系丈量線路圖2、弱電流丈量LF356是一個(gè)高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器，用它構(gòu)成電流-電壓變換器(弱電流放大器),如圖2所示。此中虛線框內(nèi)電阻Zr為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。RfIs-KoIs+ZUirU0圖2電流電壓變換器運(yùn)算放大器的輸入電壓U0為：U0K0Ui(3)式(3)中Ui為輸入電壓，K0為運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓增益，即圖2中電阻Rf稱(chēng)反應(yīng)電阻）。因此有：IsUiU0Ui(1K0)ffRR由（4）式可得電流-電壓變換器等效輸入阻抗Z為xUiRRZxffIs1K0K0時(shí)的電壓增益（Rf(4)(5)由(3)式和(4)式可得電流-電壓變換器輸入電流Is與輸出電壓U0之間的關(guān)系式，即：

4、IsUiU0Zr(6)Rf只需測(cè)得輸出電壓U0和已知Rf值，即可求得Is值。3、PN結(jié)的結(jié)電壓Ube與熱力學(xué)溫度T關(guān)系丈量。當(dāng)PN結(jié)經(jīng)過(guò)恒定小電流（平常I100A），由半導(dǎo)體理論可得Ube與T的近似關(guān)系：UbeSTUgo(7)式中S2.3mV/oC為PN結(jié)溫度傳感器敏捷度。由Ugo可求出溫度0K時(shí)半導(dǎo)體資料的近似禁帶寬度EgoqUgo。硅資料的Ego約為1.20eV?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】（一）IcUbe關(guān)系測(cè)定，并進(jìn)行曲線擬共計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)（UbeU1）1、在室溫狀況下，丈量三極管發(fā)射極與基極之間電壓U1和相應(yīng)電壓U2。U1的值約從0.30V至0.50V范圍，每隔0.01V測(cè)一相應(yīng)電壓U2的數(shù)據(jù)，至

5、U2達(dá)到飽和(U2變化較小或基本不變)。在記錄數(shù)據(jù)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都要記錄下變壓器油的溫度，取溫度均勻值。2、改變干井恒溫器溫度，待PN結(jié)與油溫一致時(shí)，重復(fù)丈量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。3、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)代入指數(shù)函數(shù)U2aexpbU1。求出相應(yīng)的a和b值。4e/kT，把電子電量e作為已知值代入，求出k并與玻爾茲曼常數(shù)公認(rèn)、玻爾茲曼常數(shù)k。利用b12R1RT3VR2R4RV2圖3圖4值（k01.3811023）進(jìn)行比較。（二）UbeT關(guān)系測(cè)定，計(jì)算硅資料0K時(shí)近似禁帶寬度Ego值。1、經(jīng)過(guò)調(diào)理圖3電路中電源電壓，使上電阻兩頭電壓保持不變，即電流I

6、100A。同時(shí)用電橋丈量鉑電阻RT的電阻值，得恒溫器的實(shí)質(zhì)溫度。從室溫開(kāi)始每隔510測(cè)一組Ube值，記錄。2、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)),此后求出權(quán)衡各回歸途序利害的標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)已測(cè)得的U1和U2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)U2aU1b；(2)乘冪函數(shù)U2aU1b；（3）指數(shù)函數(shù)U2aexp(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)律必然用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)查驗(yàn)。方法是：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)，獲取相應(yīng)

7、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：n*)2/n(U2U2i1用最小二乘法對(duì)UbeT關(guān)系進(jìn)行直線擬合，求出結(jié)測(cè)溫敏捷度S及近似求得溫度為0K時(shí)硅資料PN禁帶寬度Ego。【注意事項(xiàng)】數(shù)據(jù)辦理時(shí)，關(guān)于擴(kuò)散電流太小(初步狀態(tài))以及擴(kuò)散電流湊近或達(dá)到飽和時(shí)的數(shù)據(jù)，在辦理數(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.必然觀察恒溫裝置上溫度計(jì)讀數(shù)，待TIP31三極管溫度處于恒準(zhǔn)時(shí)(即處于熱均衡時(shí)),才能記錄U1和U2數(shù)據(jù)。3.本實(shí)驗(yàn)，TIP31型三極管溫度可采納的范圍為0-50。儀器擁有短路自動(dòng)保護(hù)，一般狀況集成電路不易破壞，但請(qǐng)勿將二極管保護(hù)裝置拆掉?！緮?shù)據(jù)記錄】（數(shù)據(jù)僅供參照）1、

8、IcUbe關(guān)系測(cè)定。室溫條件下:1=25.90，2=26.10，=26.00U1(V)0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370U2(V)0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733U1(V)0.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440U2(V)1.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3252、電流I100uA時(shí)，UbeT關(guān)系測(cè)定。RT/0CT/KUbe/V103.28.0281.20.644106.014.9288.10.647107.017.7290.90.631109.925.029

9、8.20.615111.529.0302.20.605115.338.7311.90.584119.349.0322.20.563122.958.7331.90.553123.560.0333.20.531126.367.0340.20.519129.374.9348.10.501131.981.2354.20.495【數(shù)據(jù)辦理】1、曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)：依據(jù)要求用最小二乘法辦理數(shù)據(jù)，假定PN結(jié)電流和電壓的關(guān)系知足II0exp(eU/kT),因此先要對(duì)公式II0exp(eU/kT)進(jìn)行線性化辦理。UA*U,A第一以U因?yàn)?和I是線性關(guān)系,即I=2可視為微小電流變換為電壓的變換系

10、數(shù)。2取代I，公式變化為AU2I0exp(eU1/kT)兩邊取對(duì)數(shù)：lnU2lnI0eU1/kT-lnA,令：lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b上式變化為：yabxaybxxyxy依據(jù)最小二乘法的計(jì)算公式：xyxyr(P27頁(yè))b2222)x2(x)2(xx)(yyx1nxi,x21nxi2,y1kyi,xy1nxyni1ni1ki1ni1列表計(jì)算：（雙擊該表可見(jiàn)計(jì)算過(guò)程）nU1U2xyxyx2y210.310.0730.31-2.6173-0.811360.09616.85023820.320.1040.32-2.26336-0.724280.10245.1228183

11、0.330.160.33-1.83258-0.604750.10893.35835540.340.230.34-1.46968-0.499690.11562.15994750.350.3370.35-1.08767-0.380690.12251.18303160.360.4990.36-0.69515-0.250250.12960.48323270.370.7330.37-0.31061-0.114930.13690.09647880.381.0940.380.0898410.0341390.14440.00807190.391.5750.390.4542550.177160.15210.20

12、6348100.42.3480.40.8535640.3414260.160.728571110.413.4950.411.2513330.5130470.16811.565835120.425.1510.421.6391910.688460.17642.686947130.437.5280.432.0186290.8680110.18494.074865140.4411.3250.442.4270131.0678860.19365.890391均勻值0.375-0.110180.0217270.142252.458223b38.79688a-14.659r0.999972由此可知，有關(guān)系數(shù)r

13、=0.99972,指數(shù)擬合的很好，也就說(shuō)明PN結(jié)擴(kuò)散電流-電壓關(guān)系依據(jù)指數(shù)散布規(guī)律。計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)，由表中數(shù)據(jù)得e/kbT38.79(273.1526.00)1.160104CK/Je1.60210191.3810-23J/K則：k測(cè)1.160104e/k2、求PN結(jié)溫度傳感器的敏捷度S，0K時(shí)硅資料禁帶寬度Ego。用作圖法對(duì)UbeT數(shù)據(jù)進(jìn)行辦理：（圖省略）所畫(huà)的直線的斜率，即PN結(jié)作為溫度傳感器時(shí)的敏捷度s2.30mV/K，表示PN結(jié)是負(fù)溫度系數(shù)的。截距Ugo1.30（0K溫度）；則EgoeU1.30V電子伏特。【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】1、丈量值k測(cè)1.3810-23J/K與公認(rèn)值k01.3811023J/K相當(dāng)一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：k測(cè)1.3810-23J/Kk測(cè)k0Ak0100%0.08%2、硅在0K溫度時(shí)禁帶寬度公認(rèn)值Ego1.205電子伏特，上述結(jié)果與實(shí)質(zhì)大小基本符合。因?yàn)榻Y(jié)PN溫度傳感器的線性范圍為50150，在常溫時(shí)，非線性項(xiàng)將不能夠完滿(mǎn)忽視，因此本實(shí)驗(yàn)測(cè)得Ego1.30電子伏特是合理的。【問(wèn)題討論】說(shuō)說(shuō)自己對(duì)本實(shí)驗(yàn)的意會(huì)與建議等。禁帶寬度(Bandgap)