综合设计研究性实验报告.docx

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1、综合设计研究性实验报告 宁夏大学基础物理实验中心 电磁学实验课程 综合设计研究性实验报告（20222022学年第二学期） 题目：基于运算放大器组成的I-U变换器测量与研究PN结的物理特性及弱电流 院（系）：物理电气信息学院专业班级：物理师范11-（2）班 学号： 1 2 0 1 1 2 4 4 2 6 3 学生姓名：陈立新 分数： 指导教师: 杜全忠 摘要：阐述了pn结的物理特性, 及根据结的物理特性测定玻尔兹曼常数的原理.并根据所给仪器及器件，设计实验方案并测量通过pn结的扩散 电流与pn结电压之间的关系，并对实验数据进行回归分析处理，证实pn 结电流与电压关系遵循玻尔兹曼分布律。在测得pn

2、结器件温度情况下， 通过实验得到玻尔兹曼常数。 Abstract:Elaborated the PN node physical characteristics, and according to the node for determining physical properties of Boltzmann constant principle. And according to the apparatus and devices, design the experiment scheme and measurement through the PN node of the PN node

3、 diffusion current and voltage relationship, and the regression analysis of the experimental data processing, and confirmed that the PN junction current and voltage relationship to follow Boltzmann distribution law. The measured PN junction temperature conditions, obtained by the Boltzmann constant.

4、 关键词：运算放大器:I-U变换器:PN结的物理特性:弱电流. Key words:Operational Amplifiers: I-U converter: PN physical characteristics: weak current 目录 1. 引言 (1) 2. 实验目的 (4) 3. 实验仪器及仪器介绍 (5) 4.实验原理 (5) 4.1运算放大器的概述及作用 (5) 4.2运算放大器组成的I-U变换器 (6) 4.3 PN结的概述及工作原理 (8) 5.实验内容.错误！未定义书签。 5.1PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 (10) 5.2 弱电流测量 (11) 6. 数据

5、处理及结论分析. .错误！未定义书签。3 6.1数据处理方法 (13) 6.2数据处理内容及分析 (14) 7注意事项及实验的讨论. 错误！未定义书签。7 8参考文献 (18) 1.引言 pn结的物理特性是物理学和电子学重要基础内容之一, 各种半导体器件都是以pn结为基础的.玻尔兹曼常数k是物理学中一个基本常数. 伏安特性是PN结的基本特性，测量PN结的扩散电流与PN结电压之间的关系，可以验证它们遵守波尔兹曼分布，并进而求出波尔兹曼常数的值PN结的扩散电流很小，为10-610-8 A数量级，所以在测量PN结扩散电流的过程中，运用了弱电流测量技术，即用运算放大器对电流进行电流-电换。 根据pn结

6、的正向电流与电压的关系, 可以设计出一种仪器用物理实验方法测量pn结的伏安特性;通过一系列技术手段消除各类误差后, 比较精确的测出玻尔兹曼常数此外, 根据pn结正向压降随温度的变化规律, 还可以通过pn结实现测温以及温控功能。 2：实验目的 (1)学习用运算放大器组成电流电压变换器测量微弱电流. (2)了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法. (3)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. 3:实验仪器及仪器介绍 1:直流电源(量程分别为015V 和01.5V 连续可调) 2:数字电压表组合装置（三位半数字电压表;量程02V, 四位半数字电压表;量程0

7、20V） 3：实验板：由电路图，LF356集成运算放大器，印刷电路引线，多圈电位器和接线柱等组成。 4:TIP31型硅三极管:带三根引线,属待测样品.三极管的e .b. c 三个电极分别插入实验板右侧面接线柱的相应插口内。 5：不锈钢保温杯：含保温杯，内盛少量变压器的油的玻璃试管,搅拌器和0-50温度计等 4：实验原理 4.1运算放大器的概述及作用 运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在

8、半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。 它可以把信号放大，大小比较，精密整流，阻抗变换，滤波，电压信号变电流信号，电流信号变电压信号，电压信号变成频率信号，频率信号变电压信号，等等。 4.2 运算放大器组成的I-U 变换器进行弱电流测量 图1 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1U 则通过的电流为e I ，三极管电流分布满足e b c I I I =+ ，又因为b I 很小，所以e c I I ；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c I 放大成2U ，且它们之间满足线性关系，因此可以说

9、 1U 与 2U 之间满 足指数函数关系，那么1U 与流过PN 结的电流e I 也满足指数关系。 其工作原理如图2所示，S I 为被测弱电流， r Z 为电路的等效输入阻抗，f R 为负反馈电阻，运放的开环放大倍数为0K ，运算放 大器的输出电压为 00i U K U =- （2） 由于运放输入阻抗 为无限大，反馈电阻 流过的电流近似为S I ， 00 00 1 () (1)i S f f f U U U I U R R R K -= =-+ - （3） 式（3）中U I 为输入电压，K 0为运算放大器开环电压增益，即图2中电阻R f 时的电压增益，R f 称为反馈电阻。因为理想运算放大器的输

10、入阻抗r f ，所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有： f f i S R K U R U U I /)1(/)(000+=-= （4） 由（4）式可得电流电压变换器等效输入阻抗Z r 为 00/)1/(/K R K R I U Z f f s i r += （5） 由（3）式和（4）式可得电流电压变换器输入电流I S 与输出电压U 0之间的关系，即： f f f S R U R K U R K K U I /)/11(/)1(00000 -=+-=+-= （6） 由（6）式知，只要测量输出电压U 0和已知R f 值，即可求得I S 值。以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来

11、计算Z r 和I S 值的大小。对LF356运放的开环增益K 0=2105，输入阻抗r i 1012。若取R f 为1.00M ，则由（5） 式可得： =?+?=5)1021/(1000.156r Z 若选用四位半量程200mV 数字电压表，它最后一位变化为0.01mV ，那么用上述电流电压变换器能显示最小电流值为： A V I S 1163min 101)101/(1001.0)(-?=?= 由此说明，用集成运算放大器组成电流电压变换器测量弱电流，具有输入阻抗小，灵敏度高的优点。 4.3 PN 结的概述及工作原理 Pn 结的形成; 因浓度差 多子的扩散运动?由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷

12、区形成形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P 型半导体和N 型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN 结。PN 结的内电场方向由N 区指向P 区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 形成过程图如下： PN结的单向导电性: PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN 结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小,如果外加电压使PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。 (1)PN结加正向电压时的导电情况 外加的

13、正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 (2) PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方 向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩 散电流大大减小。此时PN 结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN 结呈现高阻性。 PN 结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN 结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：P

14、N 结具有单向导电性。 5.实验内容 5.1 PN 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)/exp( 0-=kT eU I I (1) 当 ()exp /1eU kT 时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (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。 5.2弱电流测量 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r Z为电流-电压变换器等效输入阻抗。 1实验线路如图1所示。图中V1为三位半数字电压表，V2为四位半数字电压表，TIP31型为带散热板的功率三极管，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的管中，油管下端插在保温杯中，保温杯内放有室温水。变压器油温度用050的水银温度计测量