半导体PN结的物理特性测量 终定稿.docxVIP

半导体 PN 结的物理特性测量 实验目的 了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法。 测量 PN 结结电压与电流关系，证明此关系符合指数分布规律，用作图法求玻尔兹曼常数。 实验仪器 PN 结物理特性实验仪 实验原理 PN 结 介于导体与绝缘体之间的物质叫半导体，在半导体中只有一种载流子导电，只有电子（负电荷） 导电的半导体叫 N 型半导体，只有空穴（正电荷）导电的半导体叫P 型半导体。以一定的工艺制成的 P 型半导体和N 型半导体相邻的交接处，由于自由扩散形成的结叫PN 结。 三极管制造工艺的特点：发射极高掺杂浓度；基极很薄几微米到十几微米，减小复合电流；集电极低掺杂浓度，面积较大，有利于接收电子。发射结正向偏置，集电结反向偏置。 PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数的测量 半导体在常温下PN 结电压与电流有如下指数关系： I ? I e S 0 qU kT （1） 公式（1）中I 0为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，q 为电子电量，U 为电压。本实验用常规方法测量时，当 PN 结电压较小时，PN 结没导通，通过的电流很弱，普通电流表很难准确测量，无法验证真实的电压电流关系和测量玻尔兹曼常数，而采用集成运放对弱电流放大可解决 这些问题。 弱电流测量 实验装置如图 1 所示，所用PN 结由三极管提供，加在三极管B、E 间的电压U1 则通过的电流为 Ie ，三极管电流分布满足 Ie ? Ib ? Ic ，又因为 I b 很小，所以 Ie ? Ic ；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，把Ic 放大成U 2 ，且它们之间满足线性关系，因此可 以说U1 与U2 之间满足指数函数关系，那么U1 与流过PN 结的电流 Ie 也满足指数关系。其工作原理 如图 2 所示， I S 为被测弱电流， Z r 为电路的等效输入阻抗， R f 为负反馈电阻，运放的开环放大倍 数为 K 0 ，运算放大器的输出电压为： U ? ?K U 0 0 i （2） 由于运放输入阻抗r 为无限大，反馈电阻R i f 流过的电流近似为 I ， S I ? (U i ? U S ? ? U )0 ) 0 R (1 ? 1 ) 0 K 0 R ? ? U 0 f R f  只要测得输出电压 U 0 和已知 R f 值， 即可求得 I S ， 将上式代入 I S qU ?I e kT ? 0 可得： U ? U 0 2 qU 1 ? AekT ? Ae 图 2 电流－电压变换器 实验内容 U 按图联接线路，调节电压 ，取值在 0.3V－0.5V 范围内，依次记下电压U1 和U  的数值。 U 对 2 ? Ae  qU 1 kT  两边同取对数变换成线性关系： lnU 2 ? ln A ? 1 qUkT ， qU q ? B 令 kT  ，则lnU 2 ? BU 1 ln A  ，根据 lnU 2 与U1 关系绘出曲线图，由曲线求出斜率B  ，算出 K ? q TB 。 实验数据 0.310 0.320 0.330 0.340 0.350 0.360 0.370 0.073 0.104 0.160 0.230 0.337 0.499 0.733 -2.6173 -2.2634 -1.8326 -1.4697 -1.0877 -0.6952 -0.3106 0.380 0.390 0.400 0.410 0.420 0.430 0.440 1.094 1.575 2.348 3.495 5.151 7.528 11.325 0.0898 0.4543 0.8536 1.2513 1.6392 2.0186 2.4270 U1 U 1 （V） U 2 （V） lnU 2 U 1 （V） U 2 （v） lnU 2 lnUvsU2 12 1根据表一中lnU 与U 数值关系绘出曲线图（如图 3），从图 3 可以看出：二者关系曲线是一条准直线，由此证明 lnU vs U 2 1 2 1 2 1 U2 0 U nl -1 -2 -3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.44 U 1 图 3 LnU 2 与 U 关系曲线图 1 求此准直线斜率B=38.79，若取三极管温度为室温26oC , 可进一步算出 q 1.602 ?10?19 K ? ? TB 38.79 ? ?273.15 ? 26 ? ? 1.38 ?10?23 J / K 0与公认值 K 0 注意事项 ? 1.381 ?10?23 J / K  相当一致。 数据处理时，对于扩散电流太小（起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的数据，在处理数据时应删