半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性

1、半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性簡介：半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性是物理學(xué)和電子學(xué)的重要基礎(chǔ)內(nèi)容之一，它在實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，如各種晶體管、太陽能電池、半導(dǎo)體制冷、半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管都是由半導(dǎo)體PN結(jié)組成。本實(shí)驗(yàn)主要研究的兩個(gè)問題是：（1） 測量PN結(jié)擴(kuò)散電流與電壓的關(guān)系；（2） 研究PN結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度的關(guān)系。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 了解用運(yùn)算放大器測量弱電流的原理和方法；（2） 測量PN結(jié)結(jié)電壓與電流關(guān)系，證明此關(guān)系符合指數(shù)分布規(guī)律，用作圖法求玻爾茲曼常數(shù)；（3） 測量PN結(jié)結(jié)電壓與溫度的關(guān)系，求出PN結(jié)溫度傳感器的靈敏度；（4） 計(jì)算在絕對(duì)零度時(shí)，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。二、 實(shí)驗(yàn)儀器：FD-PN

2、-4 PN結(jié)物理特性實(shí)驗(yàn)儀三、 實(shí)驗(yàn)原理1 PN結(jié)伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)的測量半導(dǎo)體在常溫下PN結(jié)電壓與電流有如下指數(shù)關(guān)系： （1）公式（1）中為反向飽和電流，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為電子電量，U為電壓。本實(shí)驗(yàn)用常規(guī)方法測量時(shí)，當(dāng)PN結(jié)電壓較小時(shí)，PN結(jié)沒導(dǎo)通，通過的電流很弱，普通電流表很難準(zhǔn)確測量，無法驗(yàn)證真實(shí)的電壓電流關(guān)系和測量玻爾茲曼常數(shù)，而采用集成運(yùn)放對(duì)弱電流放大可解決這些問題。2 弱電流測量實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，所用PN結(jié)由三極管提供，LF356是一個(gè)高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器，用它組成電流電壓變換器，它可對(duì)弱電流放大并轉(zhuǎn)換成電壓形式。其工作原理如圖2所示，為被測弱電流，為

3、電路的等效輸入阻抗，為負(fù)反饋電阻，運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)為，運(yùn)算放大器的輸出電壓為： （2）由于運(yùn)放輸入阻抗為無限大，反饋電阻流過的電流近似為， （3）只要測得輸出電壓和已知值，即可求得，將上式代入可得： （4）圖1 PN結(jié)擴(kuò)散電源與結(jié)電壓關(guān)系測量線路圖圖2 電流電壓變換器3 PN結(jié)結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系圖3當(dāng)通過PN結(jié)電流為恒定的100uA時(shí)，與T有如下線性關(guān)系：，S為PN結(jié)溫度傳感器的靈敏度，為半導(dǎo)體在絕對(duì)零度時(shí)的禁帶寬度。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1 PN結(jié)伏安特性與玻爾茲曼常數(shù)（1）按圖聯(lián)接線路，調(diào)節(jié)電壓，取值在0.3V0.5V范圍內(nèi)，依次記下電壓和的數(shù)值。（2）對(duì)兩邊同取對(duì)數(shù)變換成線性關(guān)系

4、：，令，則，根據(jù)與關(guān)系繪出曲線，由曲線求出斜率，算出。（V）（V）（V）（v）2 PN結(jié)結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系（1） 按圖聯(lián)接好線路，將被測二極管放入加熱孔內(nèi)，設(shè)置好加熱的最終溫度，按確定后開始加熱。（2） 加熱過程中，分別記錄與溫度t的數(shù)值，為保持通過二極管的電流為恒定的100uA。實(shí)驗(yàn)中不斷地調(diào)節(jié)電壓輸出使的指示始終為1V。tT（3） 由表中數(shù)據(jù)作曲線，通過曲線確定S和，再根據(jù)公式算出半導(dǎo)體的近似禁帶寬度。五、 注意事項(xiàng)1. 數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)于擴(kuò)散電流太小（起始狀態(tài)）及擴(kuò)散電流接近或達(dá)到飽和時(shí)的數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)刪去，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)可能偏離公式（1）。2. 必須觀測恒溫裝置上溫度計(jì)讀數(shù)，待TIP31C三極管溫度處于恒定時(shí)（即處于熱平衡時(shí)），才能記錄和數(shù)據(jù)。3. 用本實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)，TIP31C型三極管溫度可采用的范圍為室溫-50。若要在-120-0溫度范圍內(nèi)做實(shí)驗(yàn)，必須有低溫恒溫裝置。4. 由于各公司的運(yùn)算放大器（LF356）性能有些差異，在換用LF356時(shí)，有可能同一臺(tái)儀器達(dá)到飽和電壓值不相同，但不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果