半导体PN结的物理特性

实验目的与要求

1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。

2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。

3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。

实验原理

PN 结的物理特性测量

由半导体物理学中有关 PN 结的研究，可以得出 PN 结的正向电流 一 电压关系满足

        （1）

式中I是通过 PN 结的正向电流， I₀ 是不随电压变化的常数， T 是热力学温度， e 是电子的电荷量， U 为 PN 结正向压降. 由于在常温(300 K)下，KT/e =0,026 V，而 PN 结正向压降约为十分之几伏，则 e^eU/kT>>l，(1)式括号内 -1 项完全可以忽略，于是有

                   (2)

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(2)式可以求出 e/kT. 在测得温度 T 后，就可以得到 e/k 常数，然后将电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。

在实际测量中，为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性，利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点，常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替 PN结进行测量. 具体线路如图下

实验仪器

PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置

1 、 直流电源和数字电压表，包括 —15 V——0——+ 15V直流电源、 1.5 V直流电源、0——2 V三位半数字电压表、四位半数字电压表.

2、LF356 集成运算放大器，它的各引线脚如 2脚、3 脚、4 脚、6 脚、7 脚由学生用棒针引线连接;待测样品TIP31型三极管的 e、b、c 三电极可以从机壳右面接线柱接入

3、不诱钢保温杯組合，它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器 水银温度计等. (实验时，开始保温杯内为适量室温水，然后根据实验需要加一些热水，以改变槽内水的温度; 测量时应搅拌水，待槽内水温恒定时，进行测量）

实验内容

一、必做部分：

1、在室温（保温杯加入适量的自来水，为什么？）下，测量PN结正向电流与电压的关系。

·粗略测量PN结正向电压U1及正向电流所对应的电压U2之间的关系。（U2何时出现饱合？为什么会出现饱合？）

·由粗测结果确定仔细测量的范围（U2大致的变化范围是多少？）；约测12-16组数据。

·用最小二乘法对实验数据分别作线性、指数、乘幂等函数的拟合，由求得的回归系数和标准偏差来判断各函数的优劣。

·计算玻尔兹曼常数k。

2、保持PN结正向电压不变，测量PN结正向电流与温度的关系。

·温差不小于30℃，不少于7组数据。（如何保持PN结的正向电流不变？）

·以此推算反向饱和电流与温度的关系，并计算0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。

3、保持PN结正向电流不变，测量PN结正向电压与温度的关系。

·温差不小于30℃，不少于7组数据。

·以此推算正向电压与温度的关系，并计算0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。

实验数据记录

1、粗测：

粗测时分为三个阶段，第一阶段是V₂<0，此时V₁<274.66mV，当V₂=0时，V₁=274.66mV

接下来是第二阶段，V₂>0，V₁和V₂都发生变化，但V₂ 变化幅度逐渐变小，直至几乎不变，当V₂=13.503V时，不论V₁如何变化，V₂都几乎不再发生变化，刚到达此值时，V₁=0.4745V

再后来是第三阶段，V₁继续变化，但V₂几乎不变。

则所取细测范围为274.66mV~0.4745V之间。

细测：(小数点后5位的原测量时单位为mV)

下面是作图后的拟合图像：

1、直线拟合    偏差：截距  3.9215   斜率  10.44314   偏差较大

2、指数拟合  y=y0+A1*e^((x-x0)/t1)  y=-0.00796+0.0114*e^{((x-0.28847)/0.0255)} 偏差  y0   0.00188    t1   2.11219*10^-5   偏差较小

3、幂函数拟合   y=a*x^b   偏差   a   809874.08472    b   0.12955   偏差较大

综上，应为指数函数形式

U2=A1*e(-u1/t1)+y0

所以可得e/KT=t1=0.0255    T=297.05K

可得K=t1*e/T=1.374*10^-23 J/K

不确定度(u(k)/k)²=(u(t)/t)²+(u(T)/T)²+(u(e)/e)²     

U(t)/t=0.000828

U(T)/T=0.0310

所以u(K)=4.26*10^-25

K=(1.374+0.0426)*10^-23J/K      真实值为1.38*10^-23 J/K   两者相差无几

2、

V1=0.3500V       T0=27.0°C

lnu2=lnIs+lnR+eu1/KT

由以上三种拟合可知， 更接近指数拟合

Is=5.22474*10^-8e^10.85636T

T=0时，Is=5.2247*10^-8J

U2=0.052247V

所以，禁带宽度为0.052247eV

3、U2=0.300V+0.008V    T=299.15K

可知，呈线性关系。

U1=0.43333-0.00235T

当T=0时，U1=0.43333V

禁带宽度为0.43333eV

结论：

1、PN结正向电流与电压之间为指数关系

2、通过数据各种函数的拟合可以来确定两者之间的函数关系

思考题：

1、测量时应让PN结与油充分接触，实验过程中要不停搅拌，使温度准确

2、先看点分布，确定可能的几个函数，再逐一拟合验证，最后比较各个拟合函数的回归系数，标准差等来确定最终函数关系。

第二篇：PN结的伏安特性,深圳大学

深 圳 大 学 实 验 报 告

课程名称：­        大学物理实验（一）           

实验名称：         PN结伏安特性的测量         

学    院：          机电与控制工程             

指导教师：            王敬晓                               

报告人：  王俊翔           组号：       2       

学号:  2013110122   实验地点:     科技楼903   

实验时间：      2014     年   4   月   1   日

提交时间：