1、成都信息工程学院物理实验报告姓名： 石朝阳 专业： 班级： 学号： 实验日期： 2009-9-15下午 实验教室： 5102-1 指导教师： 【实验名称】 PN 结物理特性综合实验【实验目的】1. 在室温时，测量 PN结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4. 测量 PN结电压与温度关系，求出该 PN结温度传感器的灵敏度5. 计算在 0K温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度【实验仪器】半导体PN结的物理特性实验仪 资产编号：，型号：（必须填写）【实验原理】1PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量PN
2、结的正向电流-电压关系满足：(1)1)/exp(0kTUI当 时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：exp/1UkT(2)0e(/)Ik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 关系值，则利用(1)式可以求出I。在测得温度 后，就可以得到 ，把电子电量 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数 。/ekTT/ek k实验线路如图1所示。2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图 2所示。其中虚线框内电阻 为电流-电压变换器等效输入阻抗。rZ运算放大器的输入电压 为：0U(3)0iUK式(3)中 为输入电压， 为运算
3、放大器的开环电压增益，即图 2中电阻 时的电压增益（i 0KfR称反馈电阻） 。因而有：fR(4)00(1)iisffKIR由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗 为xZ(5)01iffsUIK由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流 与输出电压 之间的关系式，即：图 1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图1MLF356-+74+15V-15V23 6ecbV1 V2101.5V TIP31 TIP31ebcLF35612348765RfIsKo-+ U0UiZrIs图 2 电流电压变换器(6)0isfrUIZR只要测得输出电压 和已知 值，即可求得 值。0UfRs3、PN结的
4、结电压 与热力学温度 关系测量。beT当 PN结通过恒定小电流（通常 ） ，由半导体理论可得 与 的近似关系：10IAbeUT(7)begoST式中 为 PN结温度传感器灵敏度。由 可求出温度 0 时半导体材料的近似禁带2.3/oSmVC K宽度 。硅材料的 约为 1.20 。goEqUgoEeV【实验内容】（一） 关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（ ）cbeI 1beU1、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压 和相应电压 。 的值约从 至120.3V范围，每隔 测一相应电压 的数据，至 达到饱和 ( 变化较小或基本不变)。在记录数0.5V0.1V2U2据开始和结束时都要记录下
5、变压器油的温度 ，取温度平均值 。2、改变干井恒温器温度，待 PN结与油温一致时，重复测量 和 的关系数据，并与室温测得的结1U2果进行比较。3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数 。求出相应的21expabU和 值。ab4、玻尔兹曼常数 。利用 ，把电子电量 作为已知值代入，求出 并与玻尔兹曼常数公认k/bekTekV1V2 3VR12RT4V2R图 3 图 4值（ ）进行比较。2301.8k（二） 关系测定，计算硅材料 0 时近似禁带宽度 值。beUTKgoE1、通过调节图 3电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流 。同时用电桥测10IA量铂电阻 的电阻值，
6、得恒温器的实际温度。从室温开始每隔 510测一组 值，记录。TR beU2、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数(它们是物理学中最常用的基本函数),然后求出衡量各回归程序好坏的标准差 。对已测得的 和 各对数据，以 为自变量， 作因变量，分别代入： (1)线性函数 ；(2)乘1U21U2 21ab幂函数 ；（3）指数函数 ，求出各函数相应的 和 值，得出三种函数式，ba21exp()ab ab究竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验。办法是：把实验测得的各个自变量 分别代入三个1U基本函数，得到相应因变量的预期值 ,并由此求
7、出各函数拟合的标准差：*2U*21()/ni n用最小二乘法对 关系进行直线拟合，求出 PN结测温灵敏度 及近似求得温度为 0 时硅材beT SK料禁带宽度 。goE【注意事项】1. 数据处理时，对于扩散电流太小(起始状态)以及扩散电流接近或达到饱和时的数据，在处理数据时应删去，因为这些数据可能偏离公式(2)。2. 必须观测恒温装置上温度计读数，待 TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录和 数据。1U23. 本实验，TIP31 型三极管温度可采用的范围为 0-50。4. 仪器具有短路自动保护，一般情况集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。【数据记录】 （数据仅供参考
8、）1、 关系测定。 室温条件下: =25.90， =26.10， =26.00cbeIU121()V0.310 0.320 0.330 0.340 0.350 0.360 0.3702()UV0.073 0.104 0.160 0.230 0.337 0.499 0.73310.380 0.390 0.400 0.410 0.420 0.430 0.4402()1.094 1.575 2.348 3.495 5.151 7.528 11.3252、电流I100 时， 关系测定。uAbeUT/RC0/TKVUbe/103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.91
9、23.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.067.074.981.2281.2288.1290.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.6440.6470.6310.6150.6050.5840.5630.5530.5310.5190.5010.495【数据处理】1、曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数：根据要求用最小二乘法处理数据，假设PN结电流和电压的关系满足 ,所以先要0exp(/)IUkT对公式 进行线性化处理。0exp(/)IUkT由于U 2和I是线性关系,即 =A
10、*U2,A可视为微小电流转换为电压的转换系数。首先以U 2替换I，I公式变化为A 01e(/)k两边取对数： -lnA, 201lnl/IekT令： lnU2=y,U1=x,ln Io-lnA=,e/Kt=b上式变化为： yabx根据最小二乘法的计算公式： (P 27页)2)(xyba)(22yxr,1inixni12,kiy1,nix1列表计算：（双击该表可见计算过程）1 0.31 0.073 0.31 -2.6173 -0.81136 0.0961 6.8502382 0.32 0.104 0.32 -2.26336 -0.72428 0.1024 5.1228183 0.33 0.16
11、0.33 -1.83258 -0.60475 0.1089 3.3583554 0.34 0.23 0.34 -1.46968 -0.49969 0.1156 2.1599475 0.35 0.337 0.35 -1.08767 -0.38069 0.1225 1.1830316 0.36 0.499 0.36 -0.69515 -0.25025 0.1296 0.4832327 0.37 0.733 0.37 -0.31061 -0.11493 0.1369 0.0964788 0.38 1.094 0.38 0.089841 0.034139 0.1444 0.0080719 0.39 1
12、.575 0.39 0.454255 0.17716 0.1521 0.20634810 0.4 2.348 0.4 0.853564 0.341426 0.16 0.72857111 0.41 3.495 0.41 1.251333 0.513047 0.1681 1.56583512 0.42 5.151 0.42 1.639191 0.68846 0.1764 2.68694713 0.43 7.528 0.43 2.018629 0.868011 0.1849 4.07486514 0.44 11.325 0.44 2.427013 1.067886 0.1936 5.8903910.
13、375 -0.1102 0.02173 0.14225 2.45822b 38.79688 a -14.659 r 0.999972平 均 值nU2xyxyxy由此可知，相关系数r=0.99972,指数拟合的很好，也就说明PN结扩散电流-电压关系遵循指数分布规律。计算玻尔兹曼常数，由表中数据得 4/38.79(2.156.0)1.0/ekbTCKJ则：9-234.8/ /. J测2、求PN结温度传感器的灵敏度S，0 时硅材料禁带宽度 。KgoE用作图法对 数据进行处理：（图省略）所画的直线的斜率，即PN结作为温度传感器时beUT的灵敏度 ，表明PN结是负温度系数的。截距 （0 温度） ； 则2.3/smV 1.3goUVK电子伏特。10goEe【实验结果】1、测量值 与公认值 相当一致。-231.80/ kJK测 2301.8/kJK -230.A1%0.8k测 测2、硅在0 温度时禁带宽度公认值 电子伏特，上述结果与实际大小基本吻合。由于PN结K.25goE温度传感器的线性范围为50150，在常温时，非线性项将不可完全忽略，所以本实验测得电子伏特是合理的。1.3goE【问题讨论】谈谈自己对本实验的体会与建议等。实验结果：
