近代物理实验报告第三次详解.doc

第三次近代物理实验 PN结正向压降与温度关系研究 全息光学 迈克尔逊干涉仪 PN结正向压降与温度关系研究 实验目的 1.了解PN结正向压降与正向电流的基本关系，测定PN结特性曲线及玻尔兹曼常数。 2.测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。 3.学会用PN结测量温度的一般方法。 实验原理 1.半导体物理学中有PN结正向电流与正向电压满足如下关系： E为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。为反向饱和电流，是一个与PN结材料禁带宽度和温度有关的系数，不睡电压变化而变化。在常温下，于是有： 这就是关系，如果测得关系曲线，则可以求出e/kT，测得温度T后就可以求出玻尔兹曼常数k。 2.PN结禁带宽度的测量 物理学中有如下结论，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差，二极管反向饱和电流有如下关系： r是常数，C是与PN结面积、掺杂浓度有关的常数，取对数后可得： 其中 式中有非线性项，可以证明当温度变化范围不大（-50℃~150℃）时，引起的误差可以忽略不计。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降主要依赖于线性项。 这一结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略温度区间。如果温度过高或过低，则杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，关系的非线性变化更加严重，这说明特性还与PN结的材料有关。为了消去非线性项的影响，可以令管的两个be结在不同的电流下供作，得到如下关系： 根据，略去非线性项 可得 ，为摄氏温标与开尔文温标之差，S为正向压降随温度变化灵敏度。 实验结果 玻尔兹曼常数k的测量 0 1 2 3 4 5 6 140 484 500 516 522 524 526 7 8 9 10 11 12 20 530 535 540 545 547 549 562 30 40 50 60 70 80 90 573 581 586 591 595 599 602 将所得数据绘成下图 再用matlab拟合函数可以得到如下表达式： 即： 注意这里的单位取值 对比 可以得到 温度为26.5℃， 计算值 标准值 误差 1.75% 误差分析：1.读数不准确，仪器示数跳动 2.拟合时a的误差较大 禁带宽度的测量 0 10 20 30 40 50 ℃ 21.5 26.0 30.6 35.0 39.7 44.0 60 70 80 90 100 ℃ 48.4 52.8 57.0 61.5 65.9 将所得数据绘图如下 利用MATLAB拟合结果如下： 即得： 将上述结果结果代入 注意：这里的实际上是负值，故代入时应取℃ 公认值 误差 0.57% 四、思考题 1.是否可以直接测量PN结二极管的电流—电压关系来验证？为什么？ 答：不可以。因为二极管正向电流中不仅含有扩散电流，还有其他成分如耗尽层复 合电流、表面电流等，导致测量不够精确。 2.试验中为何要求测曲线而不是曲线？测和的目的是什 么？ 答：为常数时，近似为线性关系，用做线性拟合更为精确。测 和是为了根据计算禁带宽 度。