PN结物理特性（徐斌）.PPT

半导体PN结的物理特性;简介：半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一，它在实践中有着广泛的应用，如各种晶体管、太阳能电池、半导体制冷、半导体激光器、发光二极管都是由半导体PN结组成。本实验主要研究的两个问题是： 1.测量PN结扩散电流与电压的关系； 2.研究PN结电压与热力学温度的关系。;【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： 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。 ;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上式。实验线路如图所示。;弱电流测量 实验装置所用PN结由三极管提供，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，它可对弱电流放大并转换成电压形式。其工作原理右图所示 ; 为被测弱电流， 为电路的等效输入阻抗， 为负反馈电阻，运放的开环放大倍数为 ，运算放大器的输出电压为： 由于运放输入阻抗 为无限大，反馈电阻 流过的电流近似为 ，;PN结结电压 与热力学温度T的关系 当通过PN结电流为恒定的100uA时， 与T有如下线性关系： S为PN结温度传感器的灵敏度， 为半导体在绝对零度时的禁带宽度。;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14.3所示。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和相应电压U2。在常温下U1的值约从0.3V每隔0.01V测一点数据，约测10多数据点，至U2值达到饱和时（U2值变化较小或基本不变），结束测量。在记数据开始和记数据结束都要同时记录变压器油的温度 ，取温度平均值 3．改变干井恒温器温度，待PN结与油温湿度一致时，重复测量U1和U2的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。;4．曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数（它们是物理学中最常用的基本函数），然后求出衡量各回归程序好坏的标准差δ。对已测得的U1和U2各对数据，以U1为自变量，U2作因变量，分别代入： （1）线性函数U2=aU1+b； （2）乘幂函数U2=aU1b； （3）指数函数 。求出各函数相应的a和b值，得出三种函数式，究竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验。;;;;PN结结电压Ube与热力学温度T的关系 （1）实验线路如图14.5所示，测温电路如图14.6所示。其中数字电压表V2通过双刀双向开关，既作测温电桥指零用，又作监测PN结电流，保持电流I＝100μA用。 （2）通过调节图5电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流I＝100μA。同时用电桥测量铂电阻的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，可得恒温器的实际湿度从室???开始每隔5℃－10℃测一定Ube值与温度关系，;;用计算器对数据进行直线拟合得： （1）斜率，即传感器灵敏度s=1.9mV/K （2）截距Ug0=1.17723V （3）相关系数r=0.99925 （4）禁带宽度Eg0=eU=1.17723eV，将此结果与硅在0K温度时禁带宽度公认值Eg0=1.205eV相比较