成都信息工程学院

物理实验报告

姓名：    蔡青         专业：                 班级：                学号：               

实验日期：   20##-9-1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：×××

【实验原理】

1．PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量

PN结的正向电流-电压关系满足：

                            (1)

   当时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：

                               (2)

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。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。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。

运算放大器的输入电压为：

                                 (3)

式(3)中为输入电压，为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻时的电压增益（称反馈电阻）。因而有：

                          (4)

由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗为

                          (5)

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：

                                   (6)

只要测得输出电压和已知值，即可求得值。

3、PN结的结电压与热力学温度关系测量。

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：

                              (7)

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宽度。硅材料的约为1.20。

【实验内容】

（一）关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（）

1、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)。在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度，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。求出相应的和值。

4、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值（）进行比较。

（二）关系测定，计算硅材料0时近似禁带宽度值。

1、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。同时用电桥测量铂电阻的电阻值，得恒温器的实际温度。从室温开始每隔5℃－10℃测一组值，记录。

2、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，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基本函数，得到相应因变量的预期值,并由此求出各函数拟合的标准差：

                         

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时硅材料禁带宽度。

【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。

3.  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】

1、关系测定。         室温条件下: =25.90℃， =26.10℃，=26.00℃

2、电流I＝100时，关系测定。

【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，所以先要对公式进行线性化，首先以代替为自变量，为因变量，公式变化为

两边取对数：    令：

上式变化为：

根据最小二乘法的计算公式：     

      

列表计算：（双击该表可见计算过程）

由此可知，指数回归拟和的最好，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

则    

2、求PN结温度传感器的灵敏度S，计算0时硅材料禁带宽度。用作图法对数据进行直线拟合得：斜率，即传感器灵敏度;截距（0温度）；相关系数，电子伏特。

【实验结果】

1、测量值与公认值相当一致。

2、硅在0温度时禁带宽度公认值电子伏特，上述结果半定量地反映了此结果。由于PN结温度传感器的线性范围为－50℃－－150℃，在低温时，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。

【问题讨论】

1947年12月23日，由肖克莱、巴丁、与布拉顿研究的世界上第一只以半导体材料的晶体管诞生了。这个小小的晶体管成为了上个世纪最伟大的发明之一，为此肖克莱、巴丁与布位顿获得了1956年诺贝尔物理学奖。半导体器件是当今电气和电子学工程的基础内容之一。

第二篇：PN结物理特性综合实验 - 副本

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物理实验报告

姓名：    蔡青         专业：                 班级：                学号：               

实验日期：   20##-9-1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：×××

【实验原理】

1．PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量

PN结的正向电流-电压关系满足：

                            (1)

   当时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：

                               (2)

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。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。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。

运算放大器的输入电压为：

                                 (3)

式(3)中为输入电压，为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻时的电压增益（称反馈电阻）。因而有：

                          (4)

由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗为

                          (5)

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：

                                   (6)

只要测得输出电压和已知值，即可求得值。

3、PN结的结电压与热力学温度关系测量。

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：

                              (7)

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宽度。硅材料的约为1.20。

【实验内容】

（一）关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（）

1、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)。在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度，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。求出相应的和值。

4、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值（）进行比较。

（二）关系测定，计算硅材料0时近似禁带宽度值。

1、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。同时用电桥测量铂电阻的电阻值，得恒温器的实际温度。从室温开始每隔5℃－10℃测一组值，记录。

2、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，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基本函数，得到相应因变量的预期值,并由此求出各函数拟合的标准差：

                         

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时硅材料禁带宽度。

【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。

3.  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】

1、关系测定。         室温条件下: =25.90℃， =26.10℃，=26.00℃

2、电流I＝100时，关系测定。

【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，所以先要对公式进行线性化，首先以代替为自变量，为因变量，公式变化为

两边取对数：    令：

上式变化为：

根据最小二乘法的计算公式：     

      

列表计算：（双击该表可见计算过程）

由此可知，指数回归拟和的最好，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

则    

2、求PN结温度传感器的灵敏度S，计算0时硅材料禁带宽度。用作图法对数据进行直线拟合得：斜率，即传感器灵敏度;截距（0温度）；相关系数，电子伏特。

【实验结果】

1、测量值与公认值相当一致。

2、硅在0温度时禁带宽度公认值电子伏特，上述结果半定量地反映了此结果。由于PN结温度传感器的线性范围为－50℃－－150℃，在低温时，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。

【问题讨论】

1947年12月23日，由肖克莱、巴丁、与布拉顿研究的世界上第一只以半导体材料的晶体管诞生了。这个小小的晶体管成为了上个世纪最伟大的发明之一，为此肖克莱、巴丁与布位顿获得了1956年诺贝尔物理学奖。半导体器件是当今电气和电子学工程的基础内容之一。