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半导体PN结物理特性实验智能化数据处理系数的制作 实验13 半导体PN结的物理特性 【实验目的】 （1）测量半导体PN结电流与电压关系。 （2）测定PN结温度传感器的灵敏度和玻尔兹曼常数。 【实验原理】 PN结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN结的正向电流—电压关系满足： （13.1） 式中，I是通过PN结的正向电流，I0是反向饱和电流，在温度恒定时，I为常数，T是热力学温度，是电子的电荷量，U为PN结正向压降。由于在常温T=300K时，/≈0.026V ，而PN结正向压降约为0.1V的数量级，则exp，（13.1）式括号内 -1项完全可以忽略，于是有： （13.2） 也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN结I-U关系值，则利用（13.1）式可以求出/。在测得温度T后，就可以得到/常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数。 在实际测量中，二极管的正向I -U关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流，还有其它电流。一般它包括三个部分： （1）扩散电流，它严格遵循（13.2）式； （2）耗尽层符合电流，它正比于； （3）表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于，一般m2。因此，为了验证（13.2）式及求出准确的/常数，不宜采用硅二极管，而采用硅三极管接成共基极线路，因为此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管（TIP31型），实验中又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全可以忽略，所以此时集电极电流与结电压将满足（13.2）式。实验线路如图13.3所示。 图10.3　PN结扩散电源与结电压关系测量线路图 2．弱电流测量 　过去实验中10-6A ~ 10-11A量级弱电流采用光点反射式检流计测量，该仪器灵敏度较高约10-9A/分度，但有许多不足之处。如十分怕震，挂丝易断；使用时稍有不慎，光标易偏出满度，瞬间过载引起引丝疲劳变形产生不回零点及指示差变大。使用和维修极不方便。近年来，集成电路与数字化显示技术越来越普及。高输入阻抗运算放大器性能优良，价格低廉，用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号，具有输入阻抗低，电流灵敏度高。温漂小、线性好、设计制作简单、结构牢靠等优点，因而被广泛应用于物理测量中。 LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图13.4所示。其中虚线框内电阻Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。由图13.4可，运算放大器的输入电压U0为： 图13.4　电流－电压变换器 式（13.3）中Ui为输入电压，K0为运算放大器的开环电压增益，即图13.4中电阻时的电压增益，Rf 称反馈电阻。因为理想运算放大器的输入阻抗，所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有： （13.4） 由式（13.4）可得电流—电压变换器等效输入阻抗Zr为 （13.5） 由式（13.3）和式（13.4）可得电流—电压变换器输入电流Is输出电压U0之间得关系式，即： （13.6） 由（13.6）式只要测得输出电压U0和已知Rf值，即可求得IS值。以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论Zr和IS值得大小。对LF356运放的开环增益K0=2×105，输入阻抗ri≈1012Ω。若取Rf为1.00MΩ，则由(5)式可得： （Ω） 若选用四位半量程200mV数字电压表，它最后一位变化为0.01mV ，那么用上述电流—电压变换器能显示最小电流值为： 由此说明，用集成运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流，具有输入阻抗小、灵敏度高的优点。 3．PN结的结电压与热力学温度T关系测量。 当PN结通过恒定小电流（通常电流I＝1?000μA），由半导体理论可得与T近似关系： 　　 （13.5） 式中mV/℃为PN结温度传感器灵敏度。由可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度。硅材料的约为1.20eV。 【实验内容】 一、关系测定，并进行曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。（） （1）实验线路如图10.3所示。图中U1为三位半数字电压表，U2为四位半数字电压表，TIP31型为带散热板的功率三极管，调节电压的分压器为多圈电位器，为保持PN结与周围环境一致，把TIP31型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中。变压器油温度用铂电阻进行测量。 （2）在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压U1和