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近代物理实验
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实验13 半导体PN结的物理特性
实验13 半导体PN结的物理特性
【实验目的】
(1)测量室温条件下半导体PN结电流与电压关系。
(2)通过不同温度条件下的PN结电流和电压的关系,计算波尔兹曼常数。
(3)测定PN结温度传感器的灵敏度。
(4)计算0K温度时,半导体材料的近似禁带宽度。
对实验目的进行了修改,修改后比较具体。【实验原理】
对实验目的进行了修改,修改后比较具体。
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:
(13.1)
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。由于在常温T=300K时,/≈0.026V ,而PN结正向压降约为0.1V的数量级,则exp,(13.1)式括号内 -1项完全可以忽略,于是有:
(13.2)
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I-U关系值,则利用(13.1)式可以求出/。在测得温度T后,就可以得到/常数,把电子电量作为已知值代入,即可求得玻尔兹曼常数。
在实际测量中,二极管的正向I -U关系虽然能较好满足指数关系,但求得的常数往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流,还有其它电流。一般它包括三个部分:
(1)扩散电流,它严格遵循(13.2)式;
(2)耗尽层符合电流,它正比于;
(3)表面电流,它是由Si和SiO2界面中杂质引起的,其值正比于,一般m2。因此,为了验证(13.2)式及求出准确的/常数,不宜采用硅二极管,而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(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(13.2)式。实验线路如图13.3所示。
图10.3 PN结扩散电源与结电压关系测量线路图
2.弱电流测量
过去实验中10-6A ~ 10-11A量级弱电流采用光点反射式检流计测量,该仪器灵敏度较高约10-9A/分度,但有许多不足之处。如十分怕震,挂丝易断;使用时稍有不慎,光标易偏出满度,瞬间过载引起引丝疲劳变形产生不回零点及指示差变大。使用和维修极不方便。近年来,集成电路与数字化显示技术越来越普及。高输入阻抗运算放大器性能优良,价格低廉,用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号,具有输入阻抗低,电流灵敏度高。温漂小、线性好、设计制作简单、结构牢靠等优点,因而被广泛应用于物理测量中。
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13.4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。由图13.4可,运算放大器的输入电压U0为:
图13.4 电流-电压变换器
式(13.3)中Ui为输入电压,K0为运算放大器的开环电压增益,即图13.4中电阻时的电压增益,Rf 称反馈电阻。因为理想运算放大器的输入阻抗,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有:
(13.4)
由式(13.4)可得电流—电压变换器等效输入阻抗Zr为
(13.5)
由式(13.3)和式(13.4)可得电流—电压变换器输入电流Is输出电压U0之间得关系式,即:
(13.6)
由(13.6)式只要测得输出电压U0和已知Rf值,即可求得IS值。以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论Zr和IS值得大小。对LF356运放的开环增益K0=2×105,输入阻抗ri≈1012Ω。若取Rf为1.00MΩ,则由(5)式可得:
(Ω)
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:
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。
3.PN结的结电压与热力学温度T关系测量。
当PN结通过恒定小电流(通常电流I=1?000μA),由半导体理论可得与T近似关系:
(13.5)
式中mV/℃为PN结温度传感器灵敏度。由可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度,硅材料的约为1.20 eV。
【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10.3所示。图中U1为三位半数字电压表,U2为四位半数字电压表,T
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