实验二半导体PN结的温度特性及弱电流测量(精)

学院 物理与光电工程学院 专业 电子科学与技术 班级 4班 姓名 周格 学号 3107009255 评分 老师签名

实验二 半导体PN结的温度特性及弱电流测量

实验目的

1、在室温时，测量PN结电流与电压关系 2、在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数。

3、学习运算放大器组成电流—电压变话器测量弱电流。 实验仪器

FD-PN-4型PN结物理特性综合实验仪,TIP31c型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。 实验原理

1、 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：

II0[exp(eU/kT)1] (2--1)

式(1)中I是通过PN结的正向电流，I0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，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(300K)时，kT/e≈0.026v ，而PN结正向压降约为十分之几伏，则

eeU/KT>>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：

II0[exp(eU/kT) (2-2)

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T后，就可以得到e/k常数，把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，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k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(2)式；

[2]耗尽层复合电流，它正比于exp(eU/2kT)；

[3]表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于exp(eU/mKT),一般m>2。

因此，为了验证(2)式及求出准确的e/k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(2)式。实验线路如图1所示。

1MeTIP31b723+15V6TIP31bce1.5V100ΩV1c-+LF358765-15VV2LF3561234 图1 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2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2可，运算放大器的输入电压U0为：

U0= -K0Ui (2--3)

Rf-+IsKoU0IsZrUi 图2 电流－电压变换器

式(3)中Ui为输入电压，K0为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻Rf∞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ri∞,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有：

IS(UiU0)/RfUi(1K0)/Rf (2--4)

由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Zr为：

ZrUi/ISRf/(1K0)Rf/K0 (2--5)

由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流Is输出电压U0之间得关系式，即：

IsU0U1(1K0)/RfU0(1)/Rf0 (2--6) K0K0Rf由(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：

Zr1.0010/(1210)5

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

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电流值为：

(Is)min0.01mV/1.0010611011A

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。 实验内容

1、实验线路如图1所示，图中U1为三位半数字电压表，U2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结与周围环境温度一致，把功率三极管连同散热器浸没在变压器中，下端插在保温杯中，保温杯内盛有室温水，变压器油温度用O-50℃(0.1℃)的水银温度计测量。（为简单起见，本实验也可把功率三极管置于干井恒温器温度中，打开仪器的加热开关，按温度复位按钮，让仪器探测出环境温度，然后调节恒温控制到与室温相同即可。）

2、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。在常温下U1的值约从0.3V至0.42V范围每隔0.01V测一点数据，约测10多数据点，至U2值达到饱和时(U2值变化较小或基本不变),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，取温度平均值。

3、改变保暖杯内水温，使水温达到约50C，每降5C或10C重复测量U1和U2的关系数据，并与室温做比较。（也可在保温杯内放冰做实验）

4、 用作图法求经验公式：取U1和U2的数据，计算lnU1。以U2为横坐标，lnU2为纵坐标，将数据点在坐标纸上标出，将各点数据连接起来，若成一条直线，则说明满足（2）式关系。

由于U2a*exp(bU1) 则 lnU2=bU1+lna 故斜率b000e kT5.将电量e和测量温度T代人b式。其中T=273.15+，求出玻尔兹曼常数k ke b*T实验步骤

1. 通过长软导线，将显示部分与操作部分之间的接线端一一对应连接起来。 2. 通过短对接线，将线路板上的输入与输出端按照所示实验原理图连接起来

3. 打开电源，通过调节输入电位器将输入电压从显示输入电压为0.02V开始逐渐增加到13V左右的饱和电压，将

测量结果记在实验记录本上，以便进行数据处理。 注意事项

1、数据处理时，对于扩散电流太小(起始状态)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)。

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、用本装置做实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。若要在-120℃-0℃温度范围内做实验，必须有低温恒温装置。

4、由于各公司的运算放大器(LF356)性能有些差异，在换用LF356时，有可能同台仪器达到饱和电压U2值不相同。

5、本仪器电源具有短路自动保护，运算放大器若 15V接反或地线漏接，本仪器也有保护装置，一般情况集成电路不易损坏。请勿将二极管保护装置拆除。

【数据记录及处理】 常温下 25.°C U1 0.310 0.322 0.331 0.343 0.352 0.362 0.370 0.382 0.390 0.400 0.410 0.420 U2 0.079 0.121 0.166 0.247 0.352 0.510 0.731 1.075 1.584 2.424 3.370 4.983 画出U1---lnU2关系曲线如下：

46.29°C U1 0.300 U2 0.760 0.310 1.062 0.320 1.451 0.330 2.008 0.339 2.797 0.351 4.239 0.361 6.0 0.371 8.741 0.380 11.480 0.390 11.836 0.430 0.440 7.763 11.357 画出U1---lnU2关系曲线如下：

38.55°C U1 0.300 0.310 0.320 0.331 0.341 0.351 0.360 0.370 0.380 0.390 0.400 0.410 U2 0.434 0.539 0.694 0.979 1.370 1.887 2.623 3.794 5.317 7.720 11.209 11.860 画出U1---lnU2关系曲线求出斜率b根据k

e求出k b*T