半導(dǎo)體PN結(jié)實(shí)驗(yàn)論文-大物實(shí)驗(yàn)

半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性及弱電流測(cè)量摘要：PN結(jié)是構(gòu)成雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的核心，是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，是電子技術(shù)中許多器件所利用的特性，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)PN結(jié)的材料、摻雜分布、幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件的不同，利用其基本特性可以制造多種功能的晶體二極管。PN結(jié)溫度傳感器優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化，能使檢測(cè)轉(zhuǎn)換一體化。PN結(jié)傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)自動(dòng)化、遙測(cè)、工業(yè)機(jī)器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程和生物工程。關(guān)鍵詞：PN結(jié)；電信號(hào)；檢測(cè)與控制。Abstract:PNjunctionisthecorecomponentsofbipolartransistorandfieldeffecttransistorandthebasisofModernelectronictechnology.PNjunctionwithunidirectionalconductivityisthecharacteristicsofmanydevicesintheelectronictechnology.Forexample,thematerialbaseofasemiconductordiodeandabipolartransistor.Accordingtothematerials,dopingdistribution,PNjunctiongeometryandbiasconditions,usingthebasicpropertiescanproducethecrystaldiodewithavarietyoffunctions.PNjunctiontemperaturesensorhastheadvantagesofhighsensitivity,fastresponsespeed,smallvolume,lightweight,easyintegration,intelligentdetection,canmaketheconversionofintegration.ThemainapplicationfieldofPNjunctionsensorisindustrialautomation,remotesensing,industrialrobots,householdappliances,environmentalmonitoring,medicalcare,medicalandbiologicalengineering.Keywords:PNjunction;signal;detectionandcontrol.1前言隨著信息時(shí)代的影響越來(lái)越深入，各種控制電路已經(jīng)融入了人們的生活。各種各樣的半導(dǎo)體在控制電路中扮演著重要的角色。PN結(jié)有反向擊穿性，單向?qū)щ娦?，電容特性等重要的性質(zhì)。2半導(dǎo)體PN結(jié)原理2.1PN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)系滿足：(1)式中是通過PN結(jié)的正向電流，是反向飽和電流，在溫度恒定是為常數(shù)，是熱力學(xué)溫度，是電子的電荷量，為PN結(jié)正向壓降。由于在常溫(300K)時(shí)，≈0.026v，而PN結(jié)正向壓降約為十分之幾伏，則>>1，(1)式括號(hào)內(nèi)－1項(xiàng)完全可以忽略，于是有：(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(1)式可以求出。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，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)系雖然能較好滿足指數(shù)關(guān)系，但求得的常數(shù)往往偏小。這是因?yàn)橥ㄟ^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(2)式；2）耗盡層符合電流，它正比于；3)表面電流，它是由硅和二氧化硅界面中雜質(zhì)引起的，其值正比于，一般>2。因此，為了驗(yàn)證(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)電壓將滿足(2)式。實(shí)驗(yàn)線路如圖1所示。圖1PN結(jié)擴(kuò)散電源與結(jié)電壓關(guān)系測(cè)量線路圖2.2弱電流測(cè)量過去實(shí)驗(yàn)中A-A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A/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)易偏出滿度，瞬間過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。圖2電流－電壓變換器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2所示。其中虛線框內(nèi)電阻為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。由圖2，運(yùn)算放大器的輸入電壓為：(3)式(3)中為輸入電壓，為運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓增益，即圖4中電阻時(shí)的電壓增益，稱反饋電阻。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：(4)由（4）式可得電流-電壓變換器等效輸入阻抗為(5)由(3)式和(4)式可得電流-電壓變換器輸入電流輸出電壓之間得關(guān)系式，即：(6)由(6)式只要測(cè)得輸出電壓和已知值，即可求得值。以高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器LF356為例來(lái)討論和值的大小。對(duì)LF356運(yùn)放的開環(huán)增益，輸入阻抗。若取為1.00，則由(5)式可得：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)。2.3PN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)通過恒定小電流（通常電流），由半導(dǎo)體理論可得與T近似關(guān)系：（5）式中S≈－2.3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。3實(shí)驗(yàn)方案 3.1關(guān)系測(cè)定，并進(jìn)行曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)（）1)實(shí)驗(yàn)線路如圖1所示。圖中為三位半數(shù)字電壓表，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)與周圍環(huán)境一致，把TIP31型三極管浸沒在盛有變壓器油干井槽中,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和相應(yīng)電壓。在常溫下的值約從0.31V至0.531V范圍每隔0.01V測(cè)一點(diǎn)數(shù)據(jù)，至值達(dá)到飽和時(shí)(值變化較小或基本不變),結(jié)束測(cè)量。在記數(shù)據(jù)開始和記數(shù)據(jù)結(jié)束都要同時(shí)記錄變壓器油的溫度，取溫度平均值。3)改變干井恒溫器溫度，待PN結(jié)與油溫濕度一致時(shí)，重復(fù)測(cè)量和的關(guān)系數(shù)據(jù)，并與室溫測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較。4)曲線擬合求經(jīng)驗(yàn)公式：運(yùn)用最小二乘法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入線性回歸、指數(shù)回歸、乘冪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。對(duì)已測(cè)得的和各對(duì)數(shù)據(jù)，以為自變量，作因變量，分別代入：(1)線性函數(shù)；(2)乘冪函數(shù)；（3）指數(shù)函數(shù)。求出各函數(shù)相應(yīng)的和值，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)。方法是：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,并由此求出各函數(shù)擬合的標(biāo)準(zhǔn)差式中為測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的因變量，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)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。3.2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。1)實(shí)驗(yàn)線路如圖3所示，測(cè)溫電路如圖4所示。其中數(shù)字電壓表通過雙刀雙向開關(guān)，既作測(cè)溫電橋指零用，又作監(jiān)測(cè)PN結(jié)電流，保持電流用。2)通過調(diào)節(jié)圖3電路中電源電壓，使上電阻兩端電壓保持不變，即電流。同時(shí)用電橋測(cè)量鉑電阻的電阻值，通過查鉑電阻值與溫度關(guān)系表，可得恒溫器的實(shí)際濕度。從室溫開始每隔5－10測(cè)一點(diǎn)值（即）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。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析4.1測(cè)定玻爾茲曼常數(shù)可從之前公式推得可得玻爾茲曼常數(shù)：可得玻爾茲曼常數(shù)：4.2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?？傻?.3誤差分析溫度控制裝置無(wú)法保證溫度恒定，在緩慢變化中儀器調(diào)節(jié)的過程中要保持U1不變較容易，而保持U2則較為困難，因?yàn)楫?dāng)把旋鈕跳到某一位置并升高溫度時(shí)，U1會(huì)固定不變，而U2則會(huì)不停改變。所以要在溫度緩慢變化時(shí)，保持U2不變測(cè)量U1的值會(huì)產(chǎn)生更大的誤差5結(jié)論P(yáng)N結(jié)與溫度有非常良好的線性關(guān)系，還擁有單向?qū)щ姷绕渌再|(zhì)，在傳感器應(yīng)用方面有廣闊的前景。而且近年來(lái)，隨著信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展成果的推動(dòng)，PN結(jié)傳感器技術(shù)得到了進(jìn)一步的飛速發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)現(xiàn)代科技認(rèn)識(shí)的不斷深入，PN結(jié)傳感器必將迎來(lái)屬于自己的時(shí)代。參考文獻(xiàn)[1]周殿清，馮輝.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn).科學(xué)出版社.2009.1[2]趙洪濤PN結(jié)溫度傳感器原理及應(yīng)用電子工程師2006.7附錄：玻爾茲曼常數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)0.310.320.3310.3410.350.360.370.380.390.0260.0360.0480.0650.0830.1100.1470.1970.2660.400.4110.420.430.440.450.460.470.480.3530.4830.6430.8531.1371.5612.0892.8563.9240.490.500.510.520.535.3377.54310.33411.58911.6000.310.320.330.3410.3510.360.3710.3810.390.0590.0770.1030.1390.1880.2450.3360.4470.5930.400.410.4210.430.440.450.460.470.