半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性測量 終定稿

半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性測量實驗?zāi)康牧私庥眠\算放大器測量弱電流的原理和方法。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)。實驗儀器PN結(jié)物理特性實驗儀實驗原理PN結(jié)介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)叫半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體中只有一種載流子導(dǎo)電，只有電子（負(fù)電荷）導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫N型半導(dǎo)體，只有空穴（正電荷）導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫P型半導(dǎo)體。以一定的工藝制成的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相鄰的交接處，由于自由擴(kuò)散形成的結(jié)叫PN結(jié)。三極管制造工藝的特點：發(fā)射極高摻雜濃度；基極很薄幾微米到十幾微米，減小復(fù)合電流；集電極低摻雜濃度，面積較大，有利于接收電子。發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。2．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。本實驗用常規(guī)方法測量時，當(dāng)PN結(jié)電壓較小時，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，無法驗證真實的電壓電流關(guān)系和測量玻爾茲曼常數(shù)，而采用集成運放對弱電流放大可解決這些問題。3.弱電流測量實驗裝置如圖1所示，所用PN結(jié)由三極管提供，加在三極管B、E間的電壓則通過的電流為，三極管電流分布滿足，又因為很小，所以；LF356是一個高輸入阻抗集成運算放大器，用它組成電流－電壓變換器，把放大成，且它們之間滿足線性關(guān)系，因此可以說與之間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，那么與流過PN結(jié)的電流也滿足指數(shù)關(guān)系。其工作原理如圖2所示，為被測弱電流，為電路的等效輸入阻抗，為負(fù)反饋電阻，運放的開環(huán)放大倍數(shù)為，運算放大器的輸出電壓為：（2）由于運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2電流－電壓變換器實驗內(nèi)容（1）按圖聯(lián)接線路，調(diào)節(jié)電壓，取值在0.3V－0.5V范圍內(nèi)，依次記下電壓和的數(shù)值。（2）對兩邊同取對數(shù)變換成線性關(guān)系：，令，則，根據(jù)與關(guān)系繪出曲線圖，由曲線求出斜率，算出。實驗數(shù)據(jù)（V）0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.370（V）0.0730.1040.1600.2300.3370.4990.733-2.6173-2.2634-1.8326-1.4697-1.0877-0.6952-0.3106（V）0.3800.3900.4000.4100.4200.4300.440（v）1.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3250.08980.45430.85361.25131.63922.01862.4270表一根據(jù)表一中與數(shù)值關(guān)系繪出曲線圖（如圖3），從圖3可以看出：二者關(guān)系曲線是一條準(zhǔn)直線，由此證明PN結(jié)結(jié)電壓與電流關(guān)系符合指數(shù)分布規(guī)律。圖3LnU2與U1關(guān)系曲線圖求此準(zhǔn)直線斜率B=38.79，若取三極管溫度為室溫,可進(jìn)一步算出與公認(rèn)值相當(dāng)一致。注意事項數(shù)據(jù)處理時，對于擴(kuò)散電流太?。ㄆ鹗紶顟B(tài)）及擴(kuò)散電流接近或達(dá)到飽和時的數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)時應(yīng)刪去，因為這些數(shù)據(jù)可能偏離公式（1）。必須觀測恒溫裝置上溫度計讀數(shù)，待TIP31C三極管溫度處于恒定時（即處于熱平衡時），才能記錄和數(shù)據(jù)。用本實驗儀器完成實驗，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)做實驗，必須有低溫恒溫裝置。實驗討論1．本實驗為何不易采用硅二極管而采用三極管？答：本實驗集電極與基極短接，集電極電流中僅僅有擴(kuò)散電流，復(fù)合電流主要在基極出現(xiàn)，測量集電極電流時，將不包括它，同時二極管的復(fù)合電流非常大，所以要采用三極管。2．簡述玻爾茲曼分布的物理意義。答：玻爾茲曼分布的物理意義：當(dāng)有保守外力(如重力場、