PN結特性和玻爾茲曼常數(shù)測定

1、PN結特性和玻爾茲曼常數(shù)測定1、實驗目的1 1 .在同一溫度下，正向電壓隨正向電流的變化關系，繪制伏安特性曲線；2 2 .在不同溫度下，測量玻爾茲曼常數(shù)；3 3 .恒定正向電流條件下，測繪PN結正向壓降隨溫度的變化曲線，計算靈敏度,估算被測PN結材料的禁帶寬度2、實驗儀器1 1 .FB302A.FB302A 型PN結特性研究與玻爾茲曼常數(shù)測定儀2 2 .溫度傳感器 PT100PT1003 3 .PN-.PN-IIII 型 PNPN 結綜合實驗儀3、實驗原理3.1.3.1.PNPN 結伏安特性與玻爾茲曼常數(shù)測定由半導體物理學可知，PN結的正向電流-電壓關系滿足：eUbeII0e 才 1(2)(2

2、)也即PN結正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測得 PNPN 結 IUIU 關系值,則利用(1)(1)式可以求出e/kTo在測得溫度后，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)，測得的玻爾茲曼精確值為231k1.38110JKI。為了精確測量玻爾茲曼常數(shù)。不用常規(guī)的加正向壓降測正向微電流的方法，I I式(1)(1)中 I I 是通過 PNPN 結的正向電流，| |0是不隨電壓變化的常數(shù)，T T 是熱力學溫度,e是電子的電量，U U 為PN結正向電壓降。由于在常溫 T300KT300K 時，kT/e0.02V,kT/e0.02V,eUbe而PN結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， 能避免測量微電流不穩(wěn)定， 又能準確地測量正向壓降。3.2.3.2.弱電流測量以前常用光點反射式檢流計測量 10106A:10A:1011A A 量級PN擴散電流， 但該儀器有許多不足之處且易損壞。本儀器沒有采用高輸入阻抗運算放大器組成電流-電壓變換器(弱電流放大器)測量弱電流信號，溫漂大、讀數(shù)困難等。為了更精確地測量玻爾茲曼常數(shù)，而設計了一個能包流輸出1nA:1mA范圍的精密微電流源。解決了在測量中很多不穩(wěn)定因素，能準確地測量正向壓降。3.3.3.3.PNPN 結的結電壓Ube與熱力學溫度 T T 關系

4、測量PN結通過恒定小電流(通常電流 I1000I1000A),A),由半導體物理可知 U Ube和 T T 近似關系：UbeSTUg。- -(3)(3)式(3)(3)中 S2.3mVS2.3mVoC C 為PN結溫度傳感器靈敏度。由 U Ugo可求出溫度OK時半導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、實驗內容與主要步驟ered_df8dd92e-05ee-4535-bf19-82301faa636c$. .實驗系統(tǒng)檢查與連接：NPN極管的 bcbc 極短路，bebe 極構成一個PN結，并用長導線連接測量儀，可方便插

5、入加熱器。(2)(2)用七芯插頭導線連接測試儀器與加熱器。“加熱功率”開關置“斷”位置，在連接插頭時，應先對準插頭與插座的凹凸定位標記，即可插入。帶有螺母的插頭待插入后與插座擰緊，導線拆除時，直插式的應拉插頭的可動外套，帶有螺母的插頭應旋松，決不可魯莽左右轉動或硬拉，否則可能拉斷引線影響實驗。.轉動“加熱功率”開關， 從“斷”至“低”， 此時測試儀上將顯示出室溫為TR,并逐漸升溫。. .VF0 0 或 V VFTR的測量和調零：將 VFIF量程選擇開關轉到VFIF擋，由“IF調節(jié)”使IF50A,記下 V VFT TR值，將VFIF量程選擇開關轉到VIF擋，由“V V 調節(jié)”使 V0V0。.測定

6、 V VT T 曲線：開啟“加熱功率”開關置“低”位置（若氣溫加熱慢，可置“高”），進行變溫實驗，并記錄對應的V和T,至于V、T的數(shù)據(jù)測量，采用每改變 10mV10mV 立即讀取一組V、T值，這樣可以有效測量誤差。應該注意：整個實驗過程中要注意升溫速率要慢，且溫度不宜過高，最好控制在 1201200c c 以內。. .求被測PN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度Smv/oc以T為橫坐標，V為縱坐標，作VT曲線，其斜率就是So（注意橫縱坐標）.估算被測PN結材料的禁帶寬度。根據(jù)實際計算時將斜率S、溫度T（注意單位為K）及此時的VF值代入上式即可求得 V Vg（0）,禁帶寬度 E EgqVqVg（0）O

7、將實驗所得的 E Eg（0）與公認值 E Eg（0）1.21ev1.21ev 比較,求其誤差。. .玻爾茲曼常數(shù)測量調溫度 30.030.00C C 附近，穩(wěn)定 3 3 分鐘不變，可進行測量。VFIF量程選擇開關轉到10106和 10109擋（常用 10108、10109）, ,從 20nA20nA 起（先把IF電位器調到零，如在PN結有低電勢電荷，用一導線在輸入端短路一下回零），等間隔（10nA10nA）選調 I,I,調一個 I,I,讀對應值 U Ube,并記錄。連續(xù)測十幾組數(shù)據(jù)。調整溫度為 60.060.00C C 附近重復以上測量分析比較測量結果。根據(jù)式（2 2）導出如下關系：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 呈線性關系。用作圖法畫出兩個不同溫度下的Ube與I的關系曲線，應為一條直線，求出其斜率，進而求得玻爾茲曼常數(shù)k,并與公稱值進行比較。5、實驗數(shù)據(jù)及處理. .測定VT曲線(1)(1)實驗數(shù)據(jù)如表 1 1 所示：表1PN結溫度特性測試實驗數(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,其中實驗測試的條件為IF50A(2)(2)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)用 matlabmatlab 作出相應的VT擬合曲線(作圖程序見附錄 A)A)如圖 1 1所示：圖1PN結溫度特性測試 . .確定

10、靈敏度根據(jù)靈敏度的定義，可知被測PN結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:相對誤差:g0norm . .玻爾茲曼常數(shù)測量(1)30(1)30C C 時表230.0C時U-I實驗數(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 繪制成相應的分析圖（代碼見附錄 B B）, ,如圖 2 2 所示。(2)45(2)45C C 時表245.0C時U-I實驗數(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此處實驗數(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時表260.0C時U-I實驗數(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.