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1、半导体半导体PNPN结的物理特性结的物理特性石浩石浩n n1.1.实验目的实验目的n n2.2.实验原理实验原理n n3.3.实验内容实验内容n n4.4.实验数据处理实验数据处理n n5.5.总结和收获总结和收获n n1.1.实验目的实验目的n n（1 1）测量半导体）测量半导体PNPN结电流与电压的关系结电流与电压的关系n n（2 2）测定）测定PNPN结温度传感器的灵敏度和玻耳兹曼常数结温度传感器的灵敏度和玻耳兹曼常数n n2.2.实验原理实验原理n nPNPN结（结（PN junctionPN junction）。采用不同的掺杂工艺，通过扩）。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将散作用
2、，将P P型半导体与型半导体与N N型半导体制作在同一块半导体型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称电荷区称PNPN结。结。PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。P P是是positivepositive的的缩写，缩写，N N是是negativenegative的缩写，表明正荷子与负荷子起作的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中用的特点。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质，一部分掺有受主杂质是是P P型半导体，另一部分掺有施主杂质是型半导体，另一部分掺有施主杂质是N N型半导
3、体时型半导体时 ，P P 型半导体和型半导体和N N型半导体的交界面附近的过渡区称为型半导体的交界面附近的过渡区称为PNPN结。结。PNPN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的料制成的 PN PN 结叫同质结结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的导体材料制成的PNPN结叫结叫异质结。异质结。n n（1 1）PNPN伏安特性及玻耳兹曼常数测量伏安特性及玻耳兹曼常数测量n n本实验采用硅三极管接成共基极线路，因为此时集本实验采用硅三极管接成共基极线路，因为此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电
4、极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管（本实验中选取性能良好的硅三极管（TIP31TIP31型），实验型），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以忽略 。（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),如图所示。其中虚线框内电阻Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。（3）.PN结的结电压U与热力学温度T关系测量 3.实验步骤n n（1 1
5、）U U1 1为三位半数字电压表，为三位半数字电压表，U U2 2为四位半数字电为四位半数字电压表，压表，TIP31TIP31型为带散热板的功率三极管，调节电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，为保持压的分压器为多圈电位器，为保持PNPN结与周围环结与周围环境一致，把境一致，把TIP31TIP31型三极管浸没在盛有变压器油干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。井槽中。变压器油温度用铂电阻进行测量。n n（2 2）在室温情况下，测量三极管发射极与基极之）在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压间电压U U1 1和相应电压和相应电压U U2 2
6、。在常温下。在常温下U U1 1的值约从的值约从0.30.3V V至至0.420.42V V范围每隔范围每隔0.010.01V V测一点数据，约测测一点数据，约测1010多数据点，至多数据点，至U U2 2值达到饱和时（值达到饱和时（U U2 2值变化较小或值变化较小或基本不变），结束测量。在记数据开始和记数据基本不变），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，取温度平均结束都要同时记录变压器油的温度，取温度平均值。值。n n（3 3）改变干井恒温器温度，待）改变干井恒温器温度，待PNPN结与油温湿度结与油温湿度一致时，重复测量一致时，重复测量U U1 1和和U U2 2
7、的关系数据，并与室温的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。测得的结果进行比较。n n（4 4）.曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法，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常用的基本函数），然后求出衡量各回归程序好坏的标准差坏的标准差。对已测得的。对已测得的U U1 1和和U U2 2各对数据，以各对数据，以U U1 1为自变量，为自变量，U U2 2作因变量，分别代入：作因变量，分别代入
8、：n n n n（a a）线性函数）线性函数U U2=2=aUaU1+1+b b；n n（b b）乘幂函数）乘幂函数U U2=2=aUaU1 1b b；n n（c c）指数函数。求出各函数相应的）指数函数。求出各函数相应的a a和和b b值，得出值，得出三种函数式，究竟哪一种函数符合物理规律必须三种函数式，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用标准差来检验。办法是：把实验测得的各个自变量变量U U1 1分别代入三个基本函数，得到相应因变量分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值的预期值U U2*,2*,并由此求出各函数拟合的标准差并由此求出各函数拟合的标
9、准差 .n n(5)(5)计算计算/常数，将电子的电量作为标准差代入，常数，将电子的电量作为标准差代入，求出玻尔兹曼常数并与公认值进行比较。求出玻尔兹曼常数并与公认值进行比较。n n二、关系测定，求二、关系测定，求PNPN结温度传感器灵敏度结温度传感器灵敏度S S，计算，计算硅材料硅材料0K0K时近似禁带宽度值。时近似禁带宽度值。n n1.1.通过调节电路中电源电压，使上电阻两端电压通过调节电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流保持不变，即电流I I100A100A。同时用电桥测量铂。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，电阻的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，
10、可得恒温器的实际湿度。从室温开始每隔可得恒温器的实际湿度。从室温开始每隔551010测一定值（即测一定值（即V1V1）与温度（）与温度（）关系，求得）关系，求得关系。（至少测关系。（至少测6 6点以上数据）点以上数据）n n2.2.用最小二乘法对关系进行直线拟合，求出用最小二乘法对关系进行直线拟合，求出PNPN结结测温灵敏度测温灵敏度S S及近似求得温度为及近似求得温度为0K0K时硅材料禁带宽时硅材料禁带宽度度 .4.实验数据处理n n1.1.关系测定，曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹关系测定，曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。以曼常数。以U U1 1为自变量，为自变量，U U2 2为因变量
11、，分别进行为因变量，分别进行线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合。线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合。n n2.2.电流电流I I100A100A时，关系测定，求时，关系测定，求PNPN结温度传结温度传感器的灵敏度感器的灵敏度S S，计算，计算0K0K进硅材料的近似禁带宽度。进硅材料的近似禁带宽度。线性回归线性回归乘幂回归乘幂回归指数回归拟合指数回归拟合实验所得结果n n1.1.计算玻尔兹曼常数：计算玻尔兹曼常数：n n由数据得由数据得n ne/k=e/k=bT bT=1.0591.05910104 4 CK/JCK/Jn n则则n n =1.5131.5131010-23-23 J/KJ/Kn
12、 n将结果与玻尔兹曼公认值进行比较将结果与玻尔兹曼公认值进行比较。n n2.2.用用ORANGEORANGE对数据进行直线拟合得：对数据进行直线拟合得：n n（1 1）斜率，即传感器灵敏度）斜率，即传感器灵敏度S S n n-0.00172-0.00172 mV/K mV/Kn n（2 2）截距）截距=1.11691.1169 V V（0K0K温度）温度）n n（3 3）相关系数）相关系数r r 0.982350.98235 n n（4 4）禁带宽度禁带宽度=1.11691.1169 电子伏特，将此电子伏特，将此结果与硅在结果与硅在0K0K温度时禁带宽度公认值温度时禁带宽度公认值1.205eV
13、1.205eV相比相比较。较。6.总结和收获n n这个实验看上去步骤是很多的，尤其是要测出三这个实验看上去步骤是很多的，尤其是要测出三组数据，还有要改变电路，加热冷却；后来听老组数据，还有要改变电路，加热冷却；后来听老师说过原理之后就明白了它的原理，按照电路图师说过原理之后就明白了它的原理，按照电路图连接电路后按部就班做下来之后发现这个实验并连接电路后按部就班做下来之后发现这个实验并不是很复杂。不是很复杂。n n在分析数据的时候，起初我没有把对扩散电流太在分析数据的时候，起初我没有把对扩散电流太小（起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的小（起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的数据删去，所以总是得不出较好的结果。后来才数据删去，所以总是得不出较好的结果。后来才发现，之后删除那些数据拟合出来的图线较为完发现，之后删除那些数据拟合出来的图线较为完美了，得到这些图像后我才真正了解了半导体的美了，得到这些图像后我才真正了解了半导体的物理特性，真正动手做一个实验和理论上研究实物理特性，真正动手做一个实验和理论上研究实验原理是由本质区别的。验原理是由本质区别的。谢谢观看！