PN结特性和玻尔兹曼常数测定

PNPN 结特性和玻尔兹曼常数测定结特性和玻尔兹曼常数测定 1 1、实验目的、实验目的 1.在同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线； 2.在不同温度下，测量玻尔兹曼常数； 3.恒定正向电流条件下，测绘 PN 结正向压降随温度的变化曲线，计算灵敏度， 估算被测PN结材料的禁带宽度 2 2、实验仪器、实验仪器 1.FB302A 型PN结特性研究与玻尔兹曼常数测定仪 2.温度传感器 PT100 3.PN-Ⅱ型 PN 结综合实验仪 3 3、实验原理、实验原理 3.1.PN3.1.PN 结伏安特性与玻尔兹曼常数测定结伏安特性与玻尔兹曼常数测定 由半导体物理学可知，PN结的正向电流-电压关系满足： be eU kT1I  I 0 e  (1) 式(1)中I是通过PN结的正向电流，I 0是不随电压变化的常数， T是热力学温度， 由于在常温T 300K时， e 是电子的电量，kT/e0.026 V，U为PN结正向电压降。 而PN结正向电压下降约为十分之几伏，则e eUbe kT? 1，于是有： I (2)  I 0e eUbe kT 也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN结I U关系值， 则利用(1)式可以求出e / kT。在测得温度后，就可以得到常数，把电子电量作为 已 知 值代 入， 就可 以 求 得 玻尔 兹 曼 常 数， 测得 的 玻尔 兹曼 精 确值 为 k 1.3811023JK1。 .下载可编辑. 为了精确测量玻尔兹曼常数。不用常规的加正向压降测正向微电流的方法， 而是采用1nA : 1mA范围的可变精密微电流源，能避免测量微电流不稳定，又能准 确地测量正向压降。 3.2.3.2.弱电流测量弱电流测量 以前常用光点反射式检流计测量106A: 1011A量级PN扩散电流，但该仪器有 许多不足之处且易损坏。本仪器没有采用高输入阻抗运算放大器组成电流-电压 变换器(弱电流放大器)测量弱电流信号，温漂大、读数困难等。为了更精确地测 量玻尔兹曼常数，而设计了一个能恒流输出1nA : 1mA范围的精密微电流源。解决 了在测量中很多不稳定因素，能准确地测量正向压降。 3.3.PN3.3.PN 结的结电压结的结电压Ube与热力学温度与热力学温度T关系测量关系测量 PN结通过恒定小电流(通常电流I 由半导体物理可知U be 和T近似 1000A)， 关系： U be  ST U go … (3) 式(3)中S2.3mVoC为PN结温度传感器灵敏度。由U go 可求出温度OK时半导体 材料的近似禁带宽度E go qU go 。硅材料的E go 约为1.20eV。 4 4、实验内容与主要步骤、实验内容与主要步骤 1.实验系统检查与连接： (1)NPN三极管的 bc 极短路，be 极构成一个PN结，并用长导线连接测量仪，可方 便插入加热器。 (2)用七芯插头导线连接测试仪器与加热器。 “加热功率”开关置“断”位置，在 连接插头时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，即可插入。带有螺母的插头 待插入后与插座拧紧，导线拆除时，直插式的应拉插头的可动外套，带有螺母的 插头应旋松，决不可鲁莽左右转动或硬拉，否则可能拉断引线影响实验。 2.转动“加热功率”开关，从“断”至“低” ，此时测试仪上将显示出室温为T R， 并逐渐升温。 3.V F 0或V F T R 的测量和调零： .下载可编辑. 将V F I F 量程选择开关转到V F I F 挡，由“I F 调节”使I F 50A，记下V F T R 值，将 V F I F 量程选择开关转到V I F 挡，由“V调节”使V0。 4.测定V T曲线： 开启“加热功率”开关置“低”位置(若气温加热慢，可置“高”)，进行变 温实验，并记录对应的V和T，至于V、T的数据测量，采用每改变10mV立即 读取一组V、T值，这样可以有效测量误差。应该注意：整个实验过程中要注 意升温速率要慢，且温度不宜过高，最好控制在120oC以内。 5.求被测 PN 结正向压降随温度变化的灵敏度 SmVoC以T 为横坐标，V为纵坐 标，作V T曲线，其斜率就是S。(注意横纵坐标) 6.估算被测PN结材料的禁带宽度。根据 V g(0) V F  V FT V F  ST … (4) T 实际计算时将斜率 S、温度T (注意单位为 K)及此时的V F 值代入上式即可求得 V g(0) ，禁带宽度E g(0) qV g(0) 。将实验所得的E g(0) 与公认值E g(0) 1.21eV比较，求 其误差。 7.玻尔兹曼常数测量 调温度30.00C附近，稳定3 分钟不变，可进行测量。V F I F 量程选择开关转到 106和109挡(常用108、109)，从20nA起(先把 IF电位器调到零，如在PN 结有低 电势电荷，用一导线在输入端短路一下回零)，等间隔(10nA)选调I，调一个I, 读对应值U be ，并记录。连续测十几组数据。 调整温度为60.00C附近重复以上测量分析比较测量结果。 根据式(2)导出如下关系： .下载可编辑. I  I 0 expeU be kT I I 0  expeU be kT lnI I 0  lnexpeU be kT lnI lnI 0 eU be kT U be kT elnI kT elnI 0 从上可以看出U be : ln I呈线性关系。 用作图法画出两个不同温度下的U be与 I 的关系曲线，应为一条直线，求出其斜 率，进而求得玻尔兹曼常数k，并与公称值进行比较。 5 5、实验数据及处理、实验数据及处理 1. 测定V T曲线 (1)实验数据如表 1 所示： 表表 1 1 PN结温度特性测试实验数据表结温度特性测试实验数据表 ΔV（ΔV（V V）） T(T(℃℃) ) ΔV(V)ΔV(V) T(T(℃℃) ) ΔV(V)ΔV(V) T(T(℃℃) ) -0.010-0.010 37.037.0 -0.070-0.070 64.464.4 -0.130-0.130 91.591.5 -0.020-0.020 41.841.8 -0.080-0.080 68.568.5 -0.140-0.140 95.695.6 -0.030-0.030 46.546.5 -0.090-0.090 73.573.5 -0.150-0.150 99.999.9 -0.040-0.040 51.351.3 -0.100-0.100 78.378.3 -0.160-0.160 104.0104.0 -0.050-0.050 55.955.9 -0.110-0.110 82.882.8 -0.060-0.060 60.460.4 -0.120-0.120 87.287.2 起始温度：起始温度：Ts=23.9+273K,Ts=23.9+273K,其中实验测试的条件为其中实验测试的条件为 I F  50A (2)根据实验数据用matlab作出相应的V T拟合曲线(作图程序见附录A)如