5 广西师范大学 - GXNU...4 学科组协调,确定导师。指导方式采取导师指导和集体培养相结合的方式,同时要注意 鼓励和发挥硕士研究生本人学习的积极性、主动性和创造性。
半导体 PN 结的物理特性
description
Transcript of 半导体 PN 结的物理特性
半导体 PN 结的物理特性
电科 091 徐斌
• 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。 e
• 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。
1M
LF356-
+
7
4
+15V
-15V
2
3
6
e c
b
V1 V2
100Ω1.5V
TIP31 TIP31
eb c
LF356
1 2 3 4
8 7 6 5
•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 ,
SI rZ
fR
0K
0 0 iU K Uir
fR SI
0 00
0
1( ) (1 )iS f
f f
U U UI U RR RK
• 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。
beU
beU
be goU ST U
go goE qU
• 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。
bec UI
• 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。
12 ebUaU
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
U1/V 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39
U2/V 0.017 0.027 0.036 0.051 0.071 0.104 0.150 0.221 0.318 0.478
U1/V 0.40 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49
U2/V 0.699 1.049 1.543 2.312 3.396 4.940 7.433 11.048
11.048 11.048
1 2 3 4 5 6 7
U1/V 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36
U2/V 0.167 0.226 0.315 0.446 0.632 0.884 1.260
U1/V 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41 0.42 0.43
U2/V 1.891 2.730 3.825 5.690 8.482 11.697 11.697
U2=aU1+b U2=aU1b
1.8639 0.10679 0.10192
r 0.8702 0.9996 0.99964
ab
a=80.93407b=26.19434
a=3.4653b=14.51843
a=2.52042e-6b=36.576
δ
12 ebUaU
e/k=bT=36.576* ( 43.4/2+273.15 ) =10784.4336 CK/Jk=e/ ( e/k ) =1.48*10-23J/K
• 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 1
4.6 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温开始每隔 5℃- 10℃测一定 Ube 值与温度关系,
Rr/Ω θ/℃ T/K Ube/V
1 111.2 38.8 311.95 0.584
2 110.0 35.3 308.45 0.591
3 109.0 31.5 304.65 0.597
4 105.9 28.4 301.55 0.603
5 105.0 25.7 298.85 0.609
6 104.0 23.0 296.15 0.614
7 103.6 21.5 294.65 0.617
Ube 与热力学温度 T 的关系测定
• 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 Eg
0=1.205eV 相比较