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天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师： 【实验名称】 PN结物理特性综合实验【实验目的】1. 在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4. 测量PN结电压与温度关系，求出该PN结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度【实验仪器】半导体PN结的物理特性实验仪 资产编号：，型号：（必须填写）【实验原理】1PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量PN结的正向电流-电压关系满足： (1) 当时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有： (2)也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN结关系值，则利用(1)式可以求出。在测得温度后，就可以得到，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数。实验线路如图1所示。图1PN结扩散电源与结电压关系测量线路图2、弱电流测量图2电流电压变换器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(弱电流放大器),如图2所示。其中虚线框内电阻为电流-电压变换器等效输入阻抗。运算放大器的输入电压为： (3)式(3)中为输入电压，为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻时的电压增益（称反馈电阻）。因而有： (4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗为 (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流与输出电压之间的关系式，即： (6)只要测得输出电压和已知值，即可求得值。3、PN结的结电压与热力学温度关系测量。当PN结通过恒定小电流（通常），由半导体理论可得与的近似关系： (7)式中为PN结温度传感器灵敏度。由可求出温度0时半导体材料的近似禁带宽度。硅材料的约为1.20。【实验内容】（一）关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（）1、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压和相应电压。的值约从至范围，每隔测一相应电压的数据，至达到饱和(变化较小或基本不变)。在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度，取温度平均值。2、改变干井恒温器温度，待PN结与油温一致时，重复测量和的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数。求出相应的和值。图3 图44、玻尔兹曼常数。利用，把电子电量作为已知值代入，求出并与玻尔兹曼常数公认值（）进行比较。（二）关系测定，计算硅材料0时近似禁带宽度值。1、通过调节图3电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流。同时用电桥测量铂电阻的电阻值，得恒温器的实际温度。从室温开始每隔510测一组值，记录。2、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。对已测得的和各对数据，以为自变量，作因变量，分别代入：(1)线性函数；(2)乘幂函数；（3）指数函数，求出各函数相应的和值，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。办法是：把实验测得的各个自变量分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值,并由此求出各函数拟合的标准差： 用最小二乘法对关系进行直线拟合，求出PN结测温灵敏度及近似求得温度为0时硅材料禁带宽度。【注意事项】1. 数据处理时，对于扩散电流太小(起始状态)以及扩散电流接近或达到饱和时的数据，在处理数据时应删去，因为这些数据可能偏离公式(2)。2. 必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录和数据。3. 本实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50。4. 仪器具有短路自动保护，一般情况集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。【数据记录】（数据仅供参考）1、关系测定。 室温条件下: =25.90， =26.10，=26.000.3100.3200.3300.3400.3500.3600.3700.0730.1040.1600.2300.3370.4990.7330.3800.3900.4000.4100.4200.4300.4401.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3252、电流I100时，关系测定。103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.9123.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.067.074.981.2281.2288.1290.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.6440.6470.6310.6150.6050.5840.5630.5530.5310.5190.5010.495【数据处理】1、 曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数：根据要求用最小二乘法处理数据，假设PN结电流和电压的关系满足,所以先要对公式进行线性化处理。由于U2和I是线性关系,即=A*U2,A可视为微小电流转换为电压的转换系数。首先以U2替换I，公式变化为A两边取对数：-lnA, 令： lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b上式变化为： 根据最小二乘法的计算公式： (P 27页) 列表计算：（双击该表可见计算过程）由此可知，相关系数r=0.99972,指数拟合的很好，也就说明PN结扩散电流-电压关系遵循指数分布规律。计算玻尔兹曼常数，由表中数据得则：2、 求PN结温度传感器的灵敏度S，0时硅材料禁带宽度。用作图法对数据进行处理：（图省略）所画的直线的斜率，即PN结作为温度传感器时的灵敏度，表明PN结是负温度系数的。截距（0温度）； 则电子伏特。【实验结果】1、测量值与公认值相当一致。实验结果：2、硅在0温度时禁带宽度公认值电子伏特，上述结果与实际大小基本吻合。由于PN结温度传感器的线性范围为50150，在常温时，非线性项将不可完全忽略，所以本实验测得电子伏特是合理的。【问题讨论】谈谈自己对本实验的体会与建议等。禁带宽度(Band gap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。锗的禁带宽度为0.66ev；硅的禁带宽度为1.12ev；砷化镓的禁带宽度为1.43ev。禁带非常窄就成为金属了，反之则成为绝缘体。半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关。
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