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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：

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半导体 PN 结的物理特性

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Presentation Transcript

  1. 半导体PN结的物理特性 电科091徐斌

  2. 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：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。

  3. 【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。

  4. 【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。

  5. 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。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。

  6. 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

  7. 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，

  8. 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。

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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：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. δ e/k=bT=36.576*（43.4/2+273.15）=10784.4336 CK/J k=e/（e/k）=1.48*10-23J/K

  13. 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温开始每隔5℃－10℃测一定Ube值与温度关系，

  14. Ube与热力学温度T的关系测定

  15. 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

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