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IP屬地：河北 更新時間：2024-01-05 格式：ppt 頁數(shù)：15 大?。?23.00KB 人氣指數(shù)：12 舉報 版權申訴

1、半導體PN結的物理特性,引言：半導體PN結的物理特性是物理學和電子學的重要基礎內(nèi)容之一。本儀器用物理實驗方法，測量PN結擴散電流與電壓關系，證明此關系遵循指數(shù)分布規(guī)律，并較精確的測出玻爾茲曼常數(shù)（物理學重要常數(shù)之一），使學生學會測量弱電流的一種新方法。,實驗目的,測量半導體PN結電流與電壓關系。測定PN結溫度傳感器的靈敏度和玻爾茲曼常數(shù)。,,實驗儀器簡略圖,實驗原理,PN結伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測量由半導體物理學可知，PN結的正向電

2、流—電壓關系滿足： 式中，I是通過PN結的正向電流，I0是反向飽和電流，在溫度恒定時，I為常數(shù)，T是熱力學溫度， 是電子的電荷量，U為PN結正向壓降。由于在常溫T=300K時，kt / e≈0.026V ，而PN結正向壓降約為0.1V的數(shù)量級，則 exp，括號內(nèi) -1項完全可以忽略，于是有：也即PN結正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測得PN結I-U關系值，則可以求出e/kT。在測得溫度T后，就可以得到

3、e/T常數(shù)，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)。,,,,,,,,實驗線路如圖所示,加在三極管B，E間的電壓U1則通過的電流為Ie,三極管電流分布滿足Ie=Ib+Ic,又因為Ib很小，所以Ie約為Ic；通過理想運放器把Ic放大成U2，且它們之間滿足指數(shù)關系，那么U1與流過PN結的電流Ic也滿足指數(shù)關系。,,,弱電流測量,簡介過去實驗中10-6A ~ 10-11A量級弱電流采用光點反射式檢流計測量，該儀器靈敏度較高約10-9A

4、/分度，但有許多不足之處。近年來，集成電路與數(shù)字化顯示技術越來越普及。高輸入阻抗運算放大器性能優(yōu)良，價格低廉，用它組成電流-電壓變換器測量弱電流信號，具有輸入阻抗低，電流靈敏度高。溫漂小、線性好、設計制作簡單、結構牢靠等優(yōu)點，因而被廣泛應用于物理測量中。,LF356是一個高輸入阻抗集成運算放大器，用它組成電流-電壓變換器(弱電流放大器),如圖所示。其中虛線框內(nèi)電阻Zr為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。由圖可知，運算放大器的輸入電壓U0為：

5、,,,電流－電壓變換器,Ui為輸入電壓，K0為運算放大器的開環(huán)電壓增益，即圖中電阻時的電壓增益，Rf 稱反饋電阻。因為理想運算放大器的輸入阻抗，所以信號源輸入電流只流經(jīng)反饋網(wǎng)絡構成的通路。因而有：可得電流—電壓變換器等效輸入阻抗Zr為可得電流—電壓變換器輸入電流Is輸出電壓U0之間得關系式，即：,,,,只要測得輸出電壓U0和已知Rf值，即可求得IS值。以高輸入阻抗集成運算放大器LF356為例來討論Zr和IS值得大小。對LF3

6、56運放的開環(huán)增益K0=2×105，輸入阻抗ri≈1012Ω。若取Rf為1.00MΩ，則得：若選用四位半量程200mV數(shù)字電壓表，它最后一位變化為0.01mV ，那么用上述電流—電壓變換器能顯示最小電流值為：由此說明，用集成運算放大器組成電流-電壓變換器測量弱電流，具有輸入阻抗小、靈敏度高的優(yōu)點。,,（Ω）,,3．PN結的結電壓與熱力學溫度T關系測量。當PN結通過恒定小電流（通常電流I＝1?000μA），由半導體理論

7、可得與T近似關系：式中mV/℃為PN結溫度傳感器靈敏度。由可求出溫度0K時半導體材料的近似禁帶寬度。硅材料的約為1.20eV。,,,實驗內(nèi)容,一、關系測定，并進行曲線擬合求經(jīng)驗公式，計算玻爾茲曼常數(shù)（ ）（1）在室溫情況下，測量三極管發(fā)射極與基極之間電壓U1和相應電壓U2。在常溫下U1的值約從0.3V開始，每隔0.01V測一點數(shù)據(jù)，約測10多數(shù)據(jù)點，至U2值達到飽和時（U2值變化較小或基本不變），結束測量。在記數(shù)據(jù)

8、開始和記數(shù)據(jù)結束都要同時記錄變壓器油的溫度θ，取溫度θ平均值。（2）改變干井恒溫器溫度，待PN結與油溫濕度一致時，重復測量U1和U2的關系數(shù)據(jù)，并與室溫測得的結果進行比較。,,二. 關系測定，求PN結溫度傳感器靈敏度S，計算硅材料0K時近似禁帶寬度 值。（1）實驗線路如左上圖所示，測溫電路如右上圖所示。其中數(shù)字電壓表V2通過雙刀雙向開關，既作測溫電橋指零用，又作監(jiān)測PN

9、結電流，保持電流I＝100μA。,,,（2）通過調(diào)節(jié)左上圖電路中電源電壓，使上電阻兩端電壓保持不變，即電流I＝100μA。同時用電橋測量鉑電阻 的電阻值，通過查鉑電阻值與溫度關系表，可得恒溫器的實際濕度。從室溫開始每隔5℃－10℃測一定 值（即V1）與溫度θ（℃）關系，求得 關系。（至少測6點以上數(shù)據(jù)）,,,,,,實驗總結,半導體PN結電阻率在常溫下基本上是線性的。但是隨著溫度的變化而變化，呈現(xiàn)指數(shù)形式。

10、PN結是構成雙極型晶體管和場效應晶體管的核心，是現(xiàn)代電子技術的基礎。半導體在實際電路中有著非常廣泛的應用。如：如利用PN結單向導電性可以制作整流二極管、檢波二極管和開關二極管，利用擊穿特性制作穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管 ，利用結電容隨外電壓變化效應制作變?nèi)荻O管利用兩個PN結之間的相互作用可以產(chǎn)生放大，振蕩等多種電子功能 。,做這個實驗要有極大的耐性，要在對實驗有初步認識的基礎上進行實驗操作。提議：半導體PN結還有很多物理特性，因為實驗器