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1、应用光伏学 实践报告 专 业学生姓名 准考证号 指导教师 年 04 月 一、实验名称:半导体PN结的物理特性 二、实验目的与要求： 1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。 2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。 3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。 三、实验原理： PN 结的物理特性测量 由半导体物理学中有关 PN 结的研究，可以得出 PN 结的正向电流 一 电压关系满足 （1） 式中I是通过 PN 结的正向电流， I0 是不随电压变化的常数， T 是热力学温度， e 是电子的电荷量， U 为 PN 结正向压降. 由于在常温(300 K)下，KT/e =0,02
2、6 V，而 PN 结正向压降约为十分之几伏，则 eeU/kTl，(1)式括号内 -1 项完全可以忽略，于是有 (2) 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(2)式可以求出 e/kT. 在测得温度 T 后，就可以得到 e/k 常数，然后将电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。 在实际测量中，为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性，利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点，常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替 PN结进行测量.。具体线路如图下四、实验仪器： PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置 1 、 直
3、流电源和数字电压表，包括 15 V0+ 15V直流电源、 1.5 V直流电源、02 V三位半数字电压表、四位半数字电压表. 2、LF356 集成运算放大器，它的各引线脚如 2脚、3 脚、4 脚、6 脚、7 脚由学生用棒针引线连接;待测样品TIP31型三极管的 e、b、c 三电极可以从机壳右面接线柱接入 3、不诱钢保温杯組合，它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器 水银温度计等. (实验时，开始保温杯内为适量室温水，然后根据实验需要加一些热水，以改变槽内水的温度; 测量时应搅拌水，待槽内水温恒定时，进行测量） 五、实验内容： 一、必做部分： 1、在室温（保温杯加入适量的自来水，为什么？）下，
4、测量PN结正向电流与电压的关系。 粗略测量PN结正向电压U1及正向电流所对应的电压U2之间的关系。（U2何时出现饱合？为什么会出现饱合？） 由粗测结果确定仔细测量的范围（U2大致的变化范围是多少？）；约测12-16组数据。 用最小二乘法对实验数据分别作线性、指数、乘幂等函数的拟合，由求得的回归系数和标准偏差来判断各函数的优劣。 计算玻尔兹曼常数k。 2、保持PN结正向电压不变，测量PN结正向电流与温度的关系。 温差不小于30，不少于7组数据。（如何保持PN结的正向电流不变？） 以此推算反向饱和电流与温度的关系，并计算0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。 3、保持PN结正向电流不变，测量PN结正向
5、电压与温度的关系。 温差不小于30，不少于7组数据。 以此推算正向电压与温度的关系，并计算0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。 六、实验数据记录： 1、粗测： 粗测时分为三个阶段，第一阶段是V20，此时V10，V1和V2都发生变化，但V2 变化幅度逐渐变小，直至几乎不变，当V2=13.503V时，不论V1如何变化，V2都几乎不再发生变化，刚到达此值时，V1=0.4745V 再后来是第三阶段，V1继续变化，但V2几乎不变。 则所取细测范围为274.66mV0.4745V之间。 细测：(小数点后5位的原测量时单位为mV) 下面是作图后的拟合图像： 1、直线拟合 偏差：截距 3.9215 斜率 10.
6、44314 偏差较大 U1）=Ube关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（Ube-Ic 第4/8页 1）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。V测一相应电压U2的数据，至U2达U1的值约从0.30V至0.50V范围，每隔0.01。q，取温度平均值q到饱和(U2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 -2）改变干井恒温器温度，待PN结与油温一致时，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。 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a和b值。)bU1(aexp=U2 23）进行比较。-101
7、.381=e/kT，把电子电量e作为已知值代入，求出k并与玻尔兹曼常数公认值（k0=4）玻尔兹曼常数k。利用b T关系测定，计算硅材料0K时近似禁带宽度Ego值。-2、Ube 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A。同时用电桥测量铂电阻RT的电阻值，得恒温器的实际温度。从室m100=I温开始每隔510测一组Ube值，记录。 exp(bU1)，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。办法a=aU1b；（3）指数函数U2=b；(2)乘幂函数U2+aU1=。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
8、：(1)线性函数U2d2）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图3 图是：把实验测得的各个自变量U1分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值U2*,=dT结测温灵敏度S及近似求得温度为0K时硅材料禁带宽度Ego。-用最小二乘法对Ube 第5/8页 七、结论： 1、数据记录 2 =26.10，q1 =25.90，qUbe关系测定。 （ 室温条件下:-1）Ic-quA时，be关系测定。 2、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
9、乘法处理数据，假设PN结电流和电压的关系满足I0exp(eU/kT)进行线性化处理。=I0exp(eU/kT),所以先要对公式I=I I0exp(eU1/kT)=由于U2和I是线性关系,即I=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AU2 b+a=eU1/kT-lnA, 令： lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b 上式变化为： y+lnI0=两边取对数：lnU2 x第6/8页 b根据最小二乘法的计算公式：-=a=b()-x= r-xy22待添加的隐藏文字内容32)-2)(y2-(x2-xy1n1n22xi,=xi, x= 11k1n=1n
10、i=nixy=yi, xy= 1=1ni=ki列表计算： 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 104CK/J1.160=26.00)+(273.1538.79=bT=e/k 19-23-10e1.6024=10J/K 则：k测1.38=10e/k1.1602）求PN结温度传感器的灵敏度S，0K时硅材料禁带宽度Ego。 2.30mV/K，表明PN结是负温度系数的。截距；-=T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s-用作图法对Ube 1.30V（0K温度）=1.
11、30电子伏特。 Ugo=eU=则Ego3、实验结果 23J/K相当一致。-101.381=10-23J/K 与公认值k01.38=1、测量值k测 第7/8页 实验10-23J/Kk测1.38k0-k测A0.08%=100%k01.30电子伏特是合理的。=1.205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Ego=2、硅在0K温度时禁带宽度公认值Ego 八、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U1和U2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。
