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PN结特性和玻尔兹曼常数测定
1、实验目的
1.在同一温度下,正向电压随正向电流的变化关系,绘制伏安特性曲线;
2.在不同温度下,测量玻尔兹曼常数;
3.恒定正向电流条件下,测绘结正向压降随温度的变化曲线,计算灵敏度,估算被测结材料的禁带宽度
2、实验仪器
1.FB302A型结特性研究与玻尔兹曼常数测定仪
2.温度传感器PT100
3.PN-Ⅱ型PN结综合实验仪
3、实验原理
3.1.PN结伏安特性与玻尔兹曼常数测定
由半导体物理学可知,结的正向电流-电压关系满足:
(1)
式(1)中是通过结的正向电流,是不随电压变化的常数,是热力学温度,是电子的电量,为结正向电压降。由于在常温时,,而结正向电压下降约为十分之几伏,则,于是有:
(2)
也即结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得结关系值,则利用(1)式可以求出。在测得温度后,就可以得到常数,把电子电量作为已知值代入,就可以求得玻尔兹曼常数,测得的玻尔兹曼精确值为。
为了精确测量玻尔兹曼常数。不用常规的加正向压降测正向微电流的方法,而是采用范围的可变精密微电流源,能避免测量微电流不稳定,又能准确地测量正向压降。
3.2.弱电流测量
以前常用光点反射式检流计测量量级扩散电流,但该仪器有许多不足之处且易损坏。本仪器没有采用高输入阻抗运算放大器组成电流-电压变换器(弱电流放大器)测量弱电流信号,温漂大、读数困难等。为了更精确地测量玻尔兹曼常数,而设计了一个能恒流输出范围的精密微电流源。解决了在测量中很多不稳定因素,能准确地测量正向压降。
3.3.PN结的结电压与热力学温度关系测量
结通过恒定小电流(通常电流),由半导体物理可知和近似关系:
… (3)
式(3)中为结温度传感器灵敏度。由可求出温度时半导体材料的近似禁带宽度。硅材料的约为。
4、实验内容与主要步骤
1.实验系统检查与连接:
(1)三极管的bc极短路,be极构成一个结,并用长导线连接测量仪,可方便插入加热器。
(2)用七芯插头导线连接测试仪器与加热器。“加热功率”开关置“断”位置,在连接插头时,应先对准插头与插座的凹凸定位标记,即可插入。带有螺母的插头待插入后与插座拧紧,导线拆除时,直插式的应拉插头的可动外套,带有螺母的插头应旋松,决不可鲁莽左右转动或硬拉,否则可能拉断引线影响实验。
2.转动“加热功率”开关,从“断”至“低”,此时测试仪上将显示出室温为,并逐渐升温。
3.或的测量和调零:
将量程选择开关转到挡,由“调节”使,记下值,将量程选择开关转到挡,由“调节”使。
4.测定曲线:
开启“加热功率”开关置“低”位置(若气温加热慢,可置“高”),进行变温实验,并记录对应的和,至于、的数据测量,采用每改变立即读取一组、值,这样可以有效测量误差。应该注意:整个实验过程中要注意升温速率要慢,且温度不宜过高,最好控制在以内。
5.求被测结正向压降随温度变化的灵敏度以为横坐标,为纵坐标,作曲线,其斜率就是。(注意横纵坐标)
6.估算被测结材料的禁带宽度。根据
… (4)
实际计算时将斜率、温度 (注意单位为)及此时的值代入上式即可求得,禁带宽度。将实验所得的与公认值比较,求其误差。
7.玻尔兹曼常数测量
调温度附近,稳定3分钟不变,可进行测量。量程选择开关转到和挡(常用、),从起(先把电位器调到零,如在结有低电势电荷,用一导线在输入端短路一下回零),等间隔()选调,调一个,读对应值,并记录。连续测十几组数据。
调整温度为附近重复以上测量分析比较测量结果。
根据式(2)导出如下关系:
从上可以看出呈线性关系。
用作图法画出两个不同温度下的与的关系曲线,应为一条直线,求出其斜率,进而求得玻尔兹曼常数,并与公称值进行比较。
5、实验数据及处理
测定曲线
(1)实验数据如表1所示:
表1 结温度特性测试实验数据表
ΔV(V)
-0.010
-0.020
-0.030
-0.040
-0.050
-0.060
T(℃)
37.0
41.8
46.5
51.3
55.9
60.4
ΔV(V)
-0.070
-0.080
-0.090
-0.100
-0.110
-0.120
T(℃)
64.4
68.5
73.5
78.3
82.8
87.2
ΔV(
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