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1、PN结特性和玻尔兹曼常数测定1、实验目的1. 在同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线;2. 在不同温度下，测量玻尔兹曼常数；3 .恒定正向电流条件下，测绘尸川结正向压降随温度的变化曲线，计算灵敏度，估算被测pn结材料的禁带宽度2、实验仪器1. FB302A型pn结特性研究与玻尔兹曼常数测定仪 2 .温度传感器PT1003. PN- II型PN结综合实验仪3、实验原理3.1. PN结伏安特性与玻尔兹曼常数测定由半导体物理学可知，pn结的正向电流-电压关系满足:e bee kT(1)式(1)中I是通过PN结的正向电流，10是不随电压变化的常数，T是热力学温度，e是电子的电量，
2、U为PN结正向电压降。由于在常温(t W 300K)时，kTIq0.02&，而pn结正向电压下降约为十分之几伏，则e*? 1，于是有:I = I e 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I - U关系值， 则利用（1）式可以求出e/kT。在测得温度后，就可以得到常数，把电子电量作为 已知值代入，就可以求得玻尔兹曼常数，测得的玻尔兹曼精确值为k = 1.381x10-23 J K -1。为了精确测量玻尔兹曼常数。不用常规的加正向压降测正向微电流的方法， 而是采用1履.1mA范围的可变精密微电流源，能避免测量微电流不稳定，又能准 确地测量正向压降。3.2. 弱电流测量
3、以前常用光点反射式检流计测量10-6 A. 10-11A量级PN扩散电流，但该仪器有 许多不足之处且易损坏。本仪器没有采用高输入阻抗运算放大器组成电流-电压 变换器（弱电流放大器）测量弱电流信号，温漂大、读数困难等。为了更精确地 测量玻尔兹曼常数，而设计了一个能恒流输出1 nA: 1mA范围的精密微电流源。解 决了在测量中很多不稳定因素，能准确地测量正向压降。3.3. PN结的结电压匕与热力学温度T关系测量PN结通过恒定小电流（通常电流I = 1000），由半导体物理可知U和T近 be 似关系：Ube= ST + U go（3）式（3）中S -2.3mVoC为PN结温度传感器灵敏度。由u可求出
4、温度OK时半导体 材料的近似禁带宽度E = qU。硅材料的与。约为1.20eV。4、实验内容与主要步骤1. 实验系统检查与连接：（1）NPN三极管的bc极短路，be极构成一个PN结，并用长导线连接测量仪，可 方便插入加热器。（2）用七芯插头导线连接测试仪器与加热器。“加热功率”开关置“断”位置， 在连接插头时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，即可插入。带有螺母的插 头待插入后与插座拧紧，导线拆除时，直插式的应拉插头的可动外套，带有螺母 的插头应旋松，决不可鲁莽左右转动或硬拉，否则可能拉断引线影响实验。2. 转动“加热功率”开关，从“断”至“低”，此时测试仪上将显示出室温为T，R并逐渐升温。3
5、. y（0）或y（T ）的测量和调零：FF R将y /量程选择开关转到y . /挡，由“/调节”使/ = 50HA，记下y（T）值，将F FF FFFF Ry /量程选择开关转到Ay /挡，由“ Ay调节”使=0。F Ff4 .测定Ay - T曲线：开启“加热功率”开关置“低”位置（若气温加热慢，可置“高”），进行变 温实验，并记录对应的京和T，至于Ay、T的数据测量，采用每改变I0my立即 读取一组Ay、T值，这样可以有效测量误差。应该注意：整个实验过程中要注意 升温速率要慢，且温度不宜过高，最好控制在120C以内。5 .求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV; oC）以t为横坐标，
6、Ay为纵坐标，作av-T曲线，其斜率就是S。（注意横纵坐标）6 .估算被测PN结材料的禁带宽度。根据V = V -也T = V -ST（4）g （0） FdTF（）实际计算时将斜率s、温度T （注意单位为爪）及此时的匕值代入上式即可求得 V（0），禁带宽度E = qy 。将实验所得的E（0）与公认值E（0）=1.21gy比较，求 其误差。7.玻尔兹曼常数测量调温度30.00C附近，稳定3分钟不变，可进行测量1人量程选择开关转到 10 -6和10-9挡（常用10-8、10-9 ），从20泓起（先把/尸电位器调到零，如在PN结有低电势电荷，用一导线在输入端短路一下回零），等间隔（10泓）选调/，调
7、一个I，读对应值u温并记录。连续测十几组数据。调整温度为60.00C附近重复以上测量分析比较测量结果。根据式(2 )导出如下关系:I = I exp (eU /kT)I/。= exp (eUjkT )In(I/I。)= ln (exp (eUjkT )In I - In I = eU :kTU e =(kT/e )ln I- (kT/e )ln 10从上可以看出Ube: In I呈线性关系。用作图法画出两个不同温度下的U be与I的关系曲线，应为一条直线，求出其斜 率，进而求得玻尔兹曼常数k，并与公称值进行比较。5、实验数据及处理1.测定业-T曲线(1)实验数据如表1所示:表1 PA结温度特性
8、测试实验数据表起始温度：Ts=23.9+273K,其中实验测试的条件为七=50pA(2)根据实验数据用matlab作出相应的AV-T拟合曲线(作图程序见附录A)如图1所示:1101009080p 70T60504030-0.16-0.14-0.12-0.1-0.08-0.06-0.04-0.020V/V图1 pn结温度特性测试2. 确定灵敏度S (mV.C )为根据灵敏度的定义，可知被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度眼项曲线中拟合曲线的斜率，即有：S = 2.2549mV C-13. 估算PN结材料的禁带宽度根据式（4）可知：匕（0）=匕（+ STr. （6）则算出禁带宽度：E（）= qV（
9、）= 0.674V相对误差： =,皿 X100% = 44.3%Eg （0）no rm4. 玻尔兹曼常数测量（1）30C 时表2 30.0C时U-I实验数据表根据上述数据利用matlab绘制成相应的分析图（代码见附录B），如图2所 示。20406080100120140160(2)45C 时表2 45.0C时U-I实验数据表此处实验数据以及图表的处理同上，不再赘述。0.360.3550.350.3450.340.3350.330.3250.320.3150.3120406080100120140160(3)60C 时表2 60.0C时U-I实验数据表此处实验数据以及图表的处理同上，不再赘述。分析讨论：根据实验得到了不同温度下的玻尔兹曼常数，跟实际值相比，误差较小，证明实 验成功。另外实验的降温计数时，降温过慢需要借助风扇。
