PN結(jié)特性和玻爾茲曼常數(shù)測(cè)定

1、PN結(jié)特性和玻爾茲曼常數(shù)測(cè)定1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1 .在同一溫度下，正向電壓隨正向電流的變化關(guān)系，繪制伏安特性曲線；2 2 .在不同溫度下，測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)；3 3 .恒定正向電流條件下，測(cè)繪PN結(jié)正向壓降隨溫度的變化曲線，計(jì)算靈敏度,估算被測(cè)PN結(jié)材料的禁帶寬度2、實(shí)驗(yàn)儀器1 1 .FB302A.FB302A 型PN結(jié)特性研究與玻爾茲曼常數(shù)測(cè)定儀2 2 .溫度傳感器 PT100PT1003 3 .PN-.PN-IIII 型 PNPN 結(jié)綜合實(shí)驗(yàn)儀3、實(shí)驗(yàn)原理3.1.3.1.PNPN 結(jié)伏安特性與玻爾茲曼常數(shù)測(cè)定由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，PN結(jié)的正向電流-電壓關(guān)系滿(mǎn)足：eUbeII0e 才 1(2)(2

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 PNPN 結(jié) IUIU 關(guān)系值,則利用(1)(1)式可以求出e/kTo在測(cè)得溫度后，就可以得到常數(shù)，把電子電量作為已知值代入，就可以求得玻爾茲曼常數(shù)，測(cè)得的玻爾茲曼精確值為231k1.38110JKI。為了精確測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)。不用常規(guī)的加正向壓降測(cè)正向微電流的方法，I I式(1)(1)中 I I 是通過(guò) PNPN 結(jié)的正向電流，| |0是不隨電壓變化的常數(shù)，T T 是熱力學(xué)溫度,e是電子的電量，U U 為PN結(jié)正向電壓降。由于在常溫 T300KT300K 時(shí)，kT/e0.02V,kT/e0.02V,eUbe而PN結(jié)正向電壓下降約為十分之幾

3、伏，則ekT?1,于是有:eUbeI0ekT而是采用inA:1mA范圍的可變精密微電流源， 能避免測(cè)量微電流不穩(wěn)定， 又能準(zhǔn)確地測(cè)量正向壓降。3.2.3.2.弱電流測(cè)量以前常用光點(diǎn)反射式檢流計(jì)測(cè)量 10106A:10A:1011A A 量級(jí)PN擴(kuò)散電流， 但該儀器有許多不足之處且易損壞。本儀器沒(méi)有采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器組成電流-電壓變換器(弱電流放大器)測(cè)量弱電流信號(hào)，溫漂大、讀數(shù)困難等。為了更精確地測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)，而設(shè)計(jì)了一個(gè)能包流輸出1nA:1mA范圍的精密微電流源。解決了在測(cè)量中很多不穩(wěn)定因素，能準(zhǔn)確地測(cè)量正向壓降。3.3.3.3.PNPN 結(jié)的結(jié)電壓Ube與熱力學(xué)溫度 T T 關(guān)系

4、測(cè)量PN結(jié)通過(guò)恒定小電流(通常電流 I1000I1000A),A),由半導(dǎo)體物理可知 U Ube和 T T 近似關(guān)系：UbeSTUg。- -(3)(3)式(3)(3)中 S2.3mVS2.3mVoC C 為PN結(jié)溫度傳感器靈敏度。由 U Ugo可求出溫度OK時(shí)半導(dǎo)體材料的近似禁帶寬度 E Ea aoqUqU。硅材料的 E Ea ao約為 1.20eV1.20eV。gggu4 4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與主要步驟ered_df8dd92e-05ee-4535-bf19-82301faa636c$. .實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢查與連接：NPN極管的 bcbc 極短路，bebe 極構(gòu)成一個(gè)PN結(jié)，并用長(zhǎng)導(dǎo)線連接測(cè)量?jī)x，可方便插

5、入加熱器。(2)(2)用七芯插頭導(dǎo)線連接測(cè)試儀器與加熱器?！凹訜峁β省遍_(kāi)關(guān)置“斷”位置，在連接插頭時(shí)，應(yīng)先對(duì)準(zhǔn)插頭與插座的凹凸定位標(biāo)記，即可插入。帶有螺母的插頭待插入后與插座擰緊，導(dǎo)線拆除時(shí)，直插式的應(yīng)拉插頭的可動(dòng)外套，帶有螺母的插頭應(yīng)旋松，決不可魯莽左右轉(zhuǎn)動(dòng)或硬拉，否則可能拉斷引線影響實(shí)驗(yàn)。.轉(zhuǎn)動(dòng)“加熱功率”開(kāi)關(guān)， 從“斷”至“低”， 此時(shí)測(cè)試儀上將顯示出室溫為T(mén)R,并逐漸升溫。. .VF0 0 或 V VFTR的測(cè)量和調(diào)零：將 VFIF量程選擇開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到VFIF擋，由“IF調(diào)節(jié)”使IF50A,記下 V VFT TR值，將VFIF量程選擇開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到VIF擋，由“V V 調(diào)節(jié)”使 V0V0。.測(cè)定

6、 V VT T 曲線：開(kāi)啟“加熱功率”開(kāi)關(guān)置“低”位置（若氣溫加熱慢，可置“高”），進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，并記錄對(duì)應(yīng)的V和T,至于V、T的數(shù)據(jù)測(cè)量，采用每改變 10mV10mV 立即讀取一組V、T值，這樣可以有效測(cè)量誤差。應(yīng)該注意：整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要注意升溫速率要慢，且溫度不宜過(guò)高，最好控制在 1201200c c 以?xún)?nèi)。. .求被測(cè)PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度Smv/oc以T為橫坐標(biāo)，V為縱坐標(biāo)，作VT曲線，其斜率就是So（注意橫縱坐標(biāo)）.估算被測(cè)PN結(jié)材料的禁帶寬度。根據(jù)實(shí)際計(jì)算時(shí)將斜率S、溫度T（注意單位為K）及此時(shí)的VF值代入上式即可求得 V Vg（0）,禁帶寬度 E EgqVqVg（0）O

7、將實(shí)驗(yàn)所得的 E Eg（0）與公認(rèn)值 E Eg（0）1.21ev1.21ev 比較,求其誤差。. .玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量調(diào)溫度 30.030.00C C 附近，穩(wěn)定 3 3 分鐘不變，可進(jìn)行測(cè)量。VFIF量程選擇開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到10106和 10109擋（常用 10108、10109）, ,從 20nA20nA 起（先把IF電位器調(diào)到零，如在PN結(jié)有低電勢(shì)電荷，用一導(dǎo)線在輸入端短路一下回零），等間隔（10nA10nA）選調(diào) I,I,調(diào)一個(gè) I,I,讀對(duì)應(yīng)值 U Ube,并記錄。連續(xù)測(cè)十幾組數(shù)據(jù)。調(diào)整溫度為 60.060.00C C 附近重復(fù)以上測(cè)量分析比較測(cè)量結(jié)果。根據(jù)式（2 2）導(dǎo)出如下關(guān)系：IIII0

8、expeUexpeUbe,kTkT1.11.10expeUexpeUbekTkTIn1.1In1.10InexpeUInexpeUbekTkTIniInIIniInI0eUeUbe.kTkTVg(0)VFvTVFSTTF(4)(4)U UbekT,eInIkTelnikT,eInIkTelni。從上可以看出 U Ube:InI:InI 呈線性關(guān)系。用作圖法畫(huà)出兩個(gè)不同溫度下的Ube與I的關(guān)系曲線，應(yīng)為一條直線，求出其斜率，進(jìn)而求得玻爾茲曼常數(shù)k,并與公稱(chēng)值進(jìn)行比較。5、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理. .測(cè)定VT曲線(1)(1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 1 所示：表1PN結(jié)溫度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表AV(V)-0.010

9、-0.020-0.030-0.040-0.050-0.060T(C)37.041.846.551.355.960.4AV(V)-0.070-0.080-0.090-0.100-0.110-0.120T(C)64.468.573.578.382.887.2AV(V)-0.130-0.140-0.150-0.160T(C)91.595.699.9104.0起始溫度：Ts=23.9+273K,Ts=23.9+273K,其中實(shí)驗(yàn)測(cè)試的條件為IF50A(2)(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用 matlabmatlab 作出相應(yīng)的VT擬合曲線(作圖程序見(jiàn)附錄 A)A)如圖 1 1所示：圖1PN結(jié)溫度特性測(cè)試 . .確定

10、靈敏度根據(jù)靈敏度的定義，可知被測(cè)PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度SmV/oC為VT曲線中擬合曲線的斜率，即有:S2.2549mVS2.2549mVoC C1 . .估算PN結(jié)材料的禁帶寬度根據(jù)式可知：Vg0VFTRSTR(6)(6)則算出禁帶寬度:相對(duì)誤差:g0norm . .玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量(1)30(1)30C C 時(shí)表230.0C時(shí)U-I實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表I(nA)20304050607080Ube(V)0.3550.3620.3670.3720.3760.3800.383I(nA)90100110120130140150Ube(V)0.3860.3890.3910.3930.3940.3970

11、.398110Eg0qVg00.674VE Eg0normE Eg0100%100%44.3%44.3%T10090807060504030-0.-0.14-0.12-0.08-0.06-0.04-0.02ZV/V根據(jù)上述數(shù)據(jù)利用 matlabmatlab 繪制成相應(yīng)的分析圖（代碼見(jiàn)附錄 B B）, ,如圖 2 2 所示。(2)45(2)45C C 時(shí)表245.0C時(shí)U-I實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表I(nA)20304050607080Ube(V)0.3140.3210.3240.3310.3340.3380.341I(nA)90100110120130140150Ube(V)0.3440.3460.3480.3500.3520.3550.358此處實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及圖表的處理同上，不再贅述0.360.3550.350.3450.340.3350.330.3250.320.3150.31(3)60C時(shí)表260.0C時(shí)U-I實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表I(nA)20304050607080Ube(V)0.2680.2760.2820.2870.2920.2950.299I(nA)90100110120130140150200.40.3950.390.3850.380.3750.370.3650.360.3552040608010012014016080100120140160Ube(V)0.