實(shí)驗(yàn)13 半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性-lifeng

PAGE112近代物理實(shí)驗(yàn)PAGE113實(shí)驗(yàn)13半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性實(shí)驗(yàn)13半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?（1）測(cè)量室溫條件下半導(dǎo)體PN結(jié)電流與電壓關(guān)系。（2）通過(guò)不同溫度條件下的PN結(jié)電流和電壓的關(guān)系，計(jì)算波爾茲曼常數(shù)。 （3）測(cè)定PN結(jié)溫度傳感器的靈敏度。（4）計(jì)算0K溫度時(shí)，半導(dǎo)體材料的近似禁帶寬度。對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行了修改，修改后比較具體?！緦?shí)驗(yàn)原理】對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行了修改，修改后比較具體。 PN結(jié)伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，PN結(jié)的正向電流—電壓關(guān)系滿(mǎn)足： （13.1）式中，I是通過(guò)PN結(jié)的正向電流，I0是反向飽和電流，在溫度恒定時(shí)，I為常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，是電子的電荷量，U為PN結(jié)正向壓降。由于在常溫T=300K時(shí)，/≈0.026V，而PN結(jié)正向壓降約為0.1V的數(shù)量級(jí)，則exp，（13.1）式括號(hào)內(nèi)-1項(xiàng)完全可以忽略，于是有： （13.2）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PN結(jié)I-U關(guān)系值，則利用（13.1）式可以求出/。在測(cè)得溫度T后，就可以得到/常數(shù)，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中，二極管的正向I-U關(guān)系雖然能較好滿(mǎn)足指數(shù)關(guān)系，但求得的常數(shù)往往偏小。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)二極管電流不只是擴(kuò)散電流，還有其它電流。一般它包括三個(gè)部分：（1）擴(kuò)散電流，它嚴(yán)格遵循（13.2）式；（2）耗盡層符合電流，它正比于；（3）表面電流，它是由Si和SiO2界面中雜質(zhì)引起的，其值正比于，一般m>2。因此，為了驗(yàn)證（13.2）式及求出準(zhǔn)確的/常數(shù)，不宜采用硅二極管，而采用硅三極管接成共基極線(xiàn)路，因?yàn)榇藭r(shí)集電極與基極短接，集電極電流中僅僅是擴(kuò)散電流。復(fù)合電流主要在基極出現(xiàn)，測(cè)量集電極電流時(shí)，將不包括它。本實(shí)驗(yàn)中選取性能良好的硅三極管（TIP31型），實(shí)驗(yàn)中又處于較低的正向偏置，這樣表面電流影響也完全可以忽略，所以此時(shí)集電極電流與結(jié)電壓將滿(mǎn)足（13.2）式。實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路如圖13.3所示。圖10.3PN結(jié)擴(kuò)散電源與結(jié)電壓關(guān)系測(cè)量線(xiàn)路圖 2．弱電流測(cè)量過(guò)去實(shí)驗(yàn)中10-6A~10-11A量級(jí)弱電流采用光點(diǎn)反射式檢流計(jì)測(cè)量，該儀器靈敏度較高約10-9A/分度，但有許多不足之處。如十分怕震，掛絲易斷；使用時(shí)稍有不慎，光標(biāo)易偏出滿(mǎn)度，瞬間過(guò)載引起引絲疲勞變形產(chǎn)生不回零點(diǎn)及指示差變大。使用和維修極不方便。近年來(lái)，集成電路與數(shù)字化顯示技術(shù)越來(lái)越普及。高輸入阻抗運(yùn)算放大器性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，用它組成電流-電壓變換器測(cè)量弱電流信號(hào)，具有輸入阻抗低，電流靈敏度高。溫漂小、線(xiàn)性好、設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)牢靠等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于物理測(cè)量中。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(弱電流放大器),如圖13.4所示。其中虛線(xiàn)框內(nèi)電阻Zr為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。由圖13.4可，運(yùn)算放大器的輸入電壓U0為：圖13.4電流－電壓變換器式（13.3）中Ui為輸入電壓，K0為運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓增益，即圖13.4中電阻時(shí)的電壓增益，Rf稱(chēng)反饋電阻。因?yàn)槔硐脒\(yùn)算放大器的輸入阻抗，所以信號(hào)源輸入電流只流經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的通路。因而有： （13.4）由式（13.4）可得電流—電壓變換器等效輸入阻抗Zr為 （13.5）由式（13.3）和式（13.4）可得電流—電壓變換器輸入電流Is輸出電壓U0之間得關(guān)系式，即： （13.6）由（13.6）式只要測(cè)得輸出電壓U0和已知Rf值，即可求得IS值。以高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器LF356為例來(lái)討論Zr和IS值得大小。對(duì)LF356運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益K0=2×105，輸入阻抗ri≈1012Ω。若取Rf為1.00MΩ，則由(5)式可得：（Ω）若選用四位半量程200mV數(shù)字電壓表，它最后一位變化為0.01mV，那么用上述電流—電壓變換器能顯示最小電流值為：由此說(shuō)明，用集成運(yùn)算放大器組成電流-電壓變換器測(cè)量弱電流，具有輸入阻抗小、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。 3．PN結(jié)的結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度T關(guān)系測(cè)量。當(dāng)PN結(jié)通過(guò)恒定小電流（通常電流I＝1?000μA），由半導(dǎo)體理論可得與T近似關(guān)系： （13.5）式中mV/℃為PN結(jié)溫度傳感器靈敏度。由可求出溫度0K時(shí)半導(dǎo)體材料的近似禁帶寬度，硅材料的約為1.20eV?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】 一、關(guān)系測(cè)定，并進(jìn)行曲線(xiàn)擬合求經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)。（） （1）實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路如圖10.3所示。圖中U1為三位半數(shù)字電壓表，U2為四位半數(shù)字電壓表，TIP31型為帶散熱板的功率三極管，調(diào)節(jié)電壓的分壓器為多圈電位器，為保持PN結(jié)與周?chē)h(huán)境一致，把TIP31型三極管浸沒(méi)在盛有變壓器油的干井槽中。變壓器油溫度用鉑電阻進(jìn)行測(cè)量。 （2）在室溫情況下，測(cè)量三極管發(fā)射極與基極之間電壓U1和相應(yīng)電壓U2。在常溫下U1的值約從0.3V開(kāi)始原文“至4.2V范圍”說(shuō)得絕對(duì)了，實(shí)際上可能超過(guò)4.2V，因此只說(shuō)測(cè)10多組數(shù)據(jù)即可。每隔0.01V測(cè)一點(diǎn)數(shù)據(jù)，約測(cè)10多組增加一個(gè)“組”字。數(shù)據(jù)，至U2值達(dá)到飽和時(shí)（U2值變化較小或基本不變），結(jié)束測(cè)量。記錄開(kāi)始時(shí)室溫和結(jié)束時(shí)干井槽溫度，請(qǐng)和原文比較。取溫度平均值。將測(cè)得的U1和U2值記錄在表13.1中。原文“至4.2V范圍”說(shuō)得絕對(duì)了，實(shí)際上可能超過(guò)4.2V，因此只說(shuō)測(cè)10多組數(shù)據(jù)即可。增加一個(gè)“組”字。請(qǐng)和原文比較。 （3）改變干井恒溫器溫度（例如50℃）學(xué)生經(jīng)常不清楚改變到多少，因此舉個(gè)例子說(shuō)明加熱到的溫度。，待PN結(jié)與油溫溫度一致時(shí)，重復(fù)測(cè)量U1和U2的關(guān)系數(shù)據(jù)，將測(cè)得的U1和U2值記錄在表13.2中，并與室溫測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較。學(xué)生經(jīng)常不清楚改變到多少，因此舉個(gè)例子說(shuō)明加熱到的溫度。 （4）曲線(xiàn)擬合求經(jīng)驗(yàn)公式：用最小二乘法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入線(xiàn)性回歸、乘冪回歸、指數(shù)回歸這三種常用的基本函數(shù)（它們是物理學(xué)中最常用的基本函數(shù)），然后求出衡量各回歸程序好壞的標(biāo)準(zhǔn)差δ。對(duì)已測(cè)得的U1和U2各對(duì)數(shù)據(jù)，以U1為自變量，U2作因變量，分別代入： （a）線(xiàn)性函數(shù)U2=aU1+b； （b）乘冪函數(shù)U2=aU1b； （c）指數(shù)函數(shù)。求出各函數(shù)相應(yīng)的a和b值，得出三種函數(shù)式，究竟哪一種函數(shù)符合物理規(guī)律必須用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)檢驗(yàn)。辦法是：把實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各個(gè)自變量U1分別代入三個(gè)基本函數(shù)，得到相應(yīng)因變量的預(yù)期值U2*,并由此求出各函數(shù)擬合的標(biāo)準(zhǔn)差：式中n為測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，Ui為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的因變量，Ui*為將自變量代入基本函數(shù)的因變量預(yù)期值，最后比較哪一種基本函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差最小，說(shuō)明該函數(shù)擬合得最好。（5）運(yùn)用Origin繪圖軟件進(jìn)行擬合。軟件下載、使用說(shuō)明和實(shí)例可參考/中的“相關(guān)課程”―“電腦課程”O(jiān)rigin部分。根據(jù)各種函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)R和標(biāo)準(zhǔn)差SD來(lái)確定用哪種函數(shù)擬合較好。相關(guān)系數(shù)R越接近于1.0，標(biāo)準(zhǔn)差SD越小，則說(shuō)明該函數(shù)擬合得越好。此部分內(nèi)容為新增，目的是使學(xué)生學(xué)習(xí)一種軟件的使用。此部分內(nèi)容為新增，目的是使學(xué)生學(xué)習(xí)一種軟件的使用。 5．計(jì)算/常數(shù)，將電子的電量作為標(biāo)準(zhǔn)差代入，求出玻爾茲曼常數(shù)并與公認(rèn)值進(jìn)行比較。 二、關(guān)系測(cè)定，求PN結(jié)溫度傳感器靈敏度S，計(jì)算硅材料0K時(shí)近似禁帶寬度值。圖10.5圖10.6 （1）實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路如圖10.5所示，測(cè)溫電路如圖10.6所示。其中數(shù)字電壓表V2通過(guò)雙刀雙向開(kāi)關(guān)，既作測(cè)溫電橋指零用，又作監(jiān)測(cè)PN結(jié)電流，保持電流I＝100μA。由于R=10kV，故需將U2調(diào)為1.00V。此處為新增加說(shuō)明。此處為新增加說(shuō)明。 （2）通過(guò)調(diào)節(jié)圖5電路中電源電壓，使上電阻兩端電壓保持不變，即電流I＝100μA。同時(shí)用電橋測(cè)量鉑電阻的電阻值，通過(guò)查鉑電阻值與溫度關(guān)系表，可得恒溫器的實(shí)際濕度。從室溫開(kāi)始每隔5℃－10℃測(cè)一定值（即V1）與溫度（℃）關(guān)系，求得關(guān)系。（至少測(cè)6點(diǎn)以上數(shù)據(jù)） 3．用最小二乘法對(duì)關(guān)系進(jìn)行直線(xiàn)擬合，求出PN結(jié)測(cè)溫靈敏度S及近似求得溫度為0K時(shí)硅材料禁帶寬度?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】 1．關(guān)系測(cè)定，曲線(xiàn)擬合求經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)。 （1）室溫條件下:=℃，=℃，=℃表13.112345678910U1/VU2/VU1/VU2/V（2）干井槽溫度=℃條件下:表13.2此表為新增此表為新增12345678910U1/VU2/VU1/VU2/V （3）以U1為自變量，U2為因變量，分別進(jìn)行線(xiàn)性函數(shù)、冪函數(shù)擬合和指數(shù)函數(shù)的擬合。手工計(jì)算填入表13.3.1中，其中r和δ分別是相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差；用Origin軟件進(jìn)行擬合的計(jì)算結(jié)果填入表13.3.2中，其中R和SD分別為擬合相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。由于采用了手工計(jì)算和Origin軟件兩種擬合方法，所以對(duì)表的名稱(chēng)編號(hào)以及說(shuō)明進(jìn)行了修改，原來(lái)的“表13.3由于采用了手工計(jì)算和Origin軟件兩種擬合方法，所以對(duì)表的名稱(chēng)編號(hào)以及說(shuō)明進(jìn)行了修改，原來(lái)的“表13.3”改為“表13.3.1”；增加了“表13.3.2”。表13.3.1線(xiàn)性回歸乘冪回歸指數(shù)回歸nU1/VU2/VU2*/V(U2-U2*)2/V2U2*/V(U2-U2*)2/V2U2*/V(U2-U2*)2/V21234567891011121314δra、b表13.3.2此表為新增此表為新增擬合參數(shù)線(xiàn)性擬合冪函數(shù)擬合指數(shù)函數(shù)擬合RSDaaErrorbbError計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)：由表13.3數(shù)據(jù)得=bT=CK/J則=J/K將結(jié)果與玻爾茲曼公認(rèn)值進(jìn)行比較。 2．電流I＝100μA時(shí)，關(guān)系測(cè)定，求PN結(jié)溫度傳感器的靈敏度S，計(jì)算0K進(jìn)硅材料的近似禁帶寬度。表13.4關(guān)系測(cè)定序號(hào)/℃T/K/V1此處刪掉了幾行，由于加熱溫度、時(shí)間關(guān)系和Ube此處刪掉了幾行，由于加熱溫度、時(shí)間關(guān)系和Ube與T之間很強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系，通常只需要6-7組數(shù)據(jù)即可。2345678 用計(jì)算器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線(xiàn)擬合得： （1）斜率，即傳感器靈敏度S＝mV/K （2）截距=V（0K溫度） （3）相關(guān)系數(shù)r＝ （4）禁帶寬度=電子伏特，將此結(jié)果與硅在0K溫度時(shí)禁帶寬度公認(rèn)值＝1.205eV相比較?！咀⒁馐马?xiàng)】 1．此處數(shù)字編號(hào)要和教材其它章節(jié)統(tǒng)一！數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)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)刪去，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)可能偏離公式（13.2）。此處數(shù)字編號(hào)要和教材其它章節(jié)統(tǒng)一！ 2．必須觀(guān)測(cè)恒溫裝置上溫度計(jì)讀數(shù)，待TIP31三極管溫度處于恒定時(shí)（即處于熱平衡時(shí)），才能記錄U1和U2數(shù)據(jù)。 3．用本裝置做實(shí)驗(yàn)，TIP31型三極管溫度可采用的范圍為0~50℃。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)，有可能同臺(tái)儀器達(dá)到飽和電壓U2值不相同。 5．本儀器電源具有短路自動(dòng)保護(hù)，運(yùn)算放大器若15V接反或地線(xiàn)漏接，本儀器也有保護(hù)裝置，一般情況集成電路不易損壞。請(qǐng)勿將二極管保護(hù)裝置拆除?！舅伎碱}】根據(jù)教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，增加了4道思考題。你還可以繼續(xù)添加。根據(jù)教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，增加了4道思考題。你還可以繼續(xù)添加。1．探討半導(dǎo)體PN結(jié)的伏安特性應(yīng)該是測(cè)量電壓和電流的數(shù)值，為什么實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的是U1和U2值？試驗(yàn)中采用是硅三極管而不是硅二極管，這樣做有什么好處？ 2．由于探討PN結(jié)的伏安特性實(shí)驗(yàn)部分和探討PN結(jié)的結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系實(shí)驗(yàn)部分都要改變干井槽的溫度，怎樣做才能節(jié)省時(shí)間？3.常溫（300K）下硅材料的約為1.12eV，思考一下如何探討硅材料的隨溫度的變化關(guān)系？不同溫度下半導(dǎo)體材料的禁帶寬度值是不一樣的。要求學(xué)生思考一下在有條件、有時(shí)間的條件下如何研究禁帶寬度與溫度的關(guān)系？不同溫度下半導(dǎo)體材料的禁帶寬度值是不一樣的。要求學(xué)生思考一下在有條件、有時(shí)間的條件下如何研究禁帶寬度與溫度的關(guān)系？4.除了用Origin繪圖軟件進(jìn)行曲線(xiàn)擬合外，你還熟悉哪些繪圖軟件也可以進(jìn)行曲線(xiàn)擬合或計(jì)算？【參考文獻(xiàn)】 [1]沈元華,陸申龍