1、-. z12級電科專業(yè)專業(yè)實驗安排表2015下半年容班級太陽能電池特性研究黃瑞強PN結特性葉會亮導熱系數(shù)羅飛二階電路鄒文強電源特性鄒文強聲光電路黃瑞強數(shù)字萬用表燕勇光電傳感器志勇電科12112周32028周310111周32059周310316周310315周320713周320510周3303電科12213周32029周310112周32058周310315周310316周320714周320511周3303說明：14周3上課時間為第14周星期3；上課地點為物理實驗室103教室。103 每一時間段實驗為4學時，下午上課時間：14:30-17:30每次實驗上課前需認真預習相關實驗容并寫好預習報

2、告每位學生準備816開實驗報告紙，832開原始記錄紙。講義份數(shù)：導熱系數(shù)？份, 電源特性？份, 聲光電路？份。所開設實驗的房間管理由各位教師自己承當。理學院物理實驗室實驗十三 PN結特性的研究和應用PN結作為最根本的核心半導體器件，得到了廣泛的應用，構成了整個半導體產(chǎn)業(yè)的根底。在常見的電路中，可作為整流管、穩(wěn)壓管；在傳感器方面，可以作為溫度傳感器、發(fā)光二極管、光敏二極管等等。所以，研究和掌握PN結的特性具有非常重要的意義。PN結具有單向導電性，這是PN結最根本的特性。本實驗通過測量正向電流和正向壓降的關系，研究PN 結的正向特性：由可調(diào)微電流源輸出一個穩(wěn)定的正向電流，測量不同溫度下的PN結正向

3、電壓值，以此來分析PN結正向壓降的溫度特性。通過這個實驗可以測量出玻爾茲曼常數(shù)，估算半導體材料的禁帶寬度，以及估算通常難以直接測量的極微小的PN結反向飽和電流；學習到很多半導體物理的知識，掌握PN結溫度傳感器的原理。【實驗目的】1、測量同一溫度下，正向電壓隨正向電流的變化關系，繪制伏安特性曲線；2、在同一恒定正向電流條件下，測繪PN結正向壓降隨溫度的變化曲線，確定其靈敏度，估算被測PN結材料的禁帶寬度；3、學習指數(shù)函數(shù)的曲線回歸的方法，并計算出玻爾茲曼常數(shù)，估算反向飽和電流；4、探究：用給定的PN結測量未知溫度?！緦嶒炘怼恳弧N結的正向特性理想情況下，PN結的正向電流隨正向壓降按指數(shù)規(guī)律變

4、化。其正向電流IF和正向壓降VF存在如下近關系式：1其中q為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；IS為反向飽和電流，它是一個和PN結材料的禁帶寬度以及溫度有關的系數(shù)，可以證明：2其中C是與結面積、摻質(zhì)濃度等有關的常數(shù)，r也是常數(shù)r的數(shù)值取決于少數(shù)載流子遷移率對溫度的關系，通常取r=3.4；Vg(0)為絕對零度時PN結材料的帶底和價帶頂?shù)碾妱莶?，對應的qVg(0)即為禁帶寬度。將2式代入1式，兩邊取對數(shù)可得：3其中方程3就是PN結正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達式，它是PN結溫度傳感器的根本方程。令IF=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化，但是在方程3中還包含非線性頂Vn1。下面來分析一下Vn

5、1項所引起的非線性誤差。設溫度由T1變?yōu)門時，正向電壓由VF1變?yōu)閂F，由3式可得4按理想的線性溫度響應，VF應取如下形式5等于T1溫度時的值由3式求導，并變換可得到6所以 =7由理想線性溫度響應7式和實際響應4式相比擬，可得實際響應對線性的理論偏差為: =V理想-VF =8設T1=300K，T=310K，取r=3.4,由8式可得=0.048mV，而相應的VF的改變量約為20 mV以上，相比之下誤差很小。不過當溫度變化圍增大時，VF溫度響應的非線性誤差將有所遞增，這主要由于r因子所致。綜上所述，在恒流小電流的條件下，PN結的VF對T的依賴關系取決于線性項V1，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降

6、，這也就是PN結測溫的理論依據(jù)。二、求PN結溫度傳感器的靈敏度，測量禁帶寬度由前所述，我們可以得到一個測量PN結的結電壓VF與熱力學溫度T關系的近似關系式：9式中S(mV/)為PN結溫度傳感器靈敏度。用實驗的方法測出VF-T變化關系曲線，其斜率VF/T即為靈敏度S。在求得S后，根據(jù)式9可知10從而可求出溫度0K時半導體材料的近似禁帶寬度。硅材料的約為1.21eV。必須指出，上述結論僅適用于雜質(zhì)全部電離，本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間對于通常的硅二極管來說，溫度圍約-50-150。如果溫度低于或高于上述圍時，由于雜質(zhì)電離因子減小或本征載流子迅速增加，VFT關系將產(chǎn)生新的非線性，這一現(xiàn)象說明VFT的特

7、性還隨PN結的材料而異，對于寬帶材料如GaAs，Eg為1.43eV的PN結，其高溫端的線性區(qū)則寬；而材料雜質(zhì)電離能小如Insb的PN結，則低溫端的線性圍寬。對于給定的PN結，即使在雜質(zhì)導電和非本征激發(fā)溫度圍，其線性度亦隨溫度的上下而有所不同，這是非線性項Vn1引起的，由Vn1對T的二階導數(shù)可知，的變化與T成反比，所以VFT的線性度在高溫端優(yōu)于低溫端，這是PN結溫度傳感器的普遍規(guī)律。此外，由4式可知，減小IF，可以改善線性度，但并不能從根本上解決問題，目前行之有效的方法大致有兩種：1、利用對管的兩個PN結將三極管的基極與集電極短路與發(fā)射極組成一個PN結，分別在不同電流IF1、IF2下工作，由此獲

8、得兩者之差IF1-IF2與溫度成線性函數(shù)關系，即 VF1-VF2=11本實驗所用的PN結也是由三極管的cb極短路后構成的。盡管還有一定的誤差，但與單個PN 結相比其線性度與精度均有所提高。2、采用電流函數(shù)發(fā)生器來消除非線性誤差。由3式可知，非線性誤差來自Tr項，利用函數(shù)發(fā)生器，IF比例于絕對溫度的r次方，則VFT的線性理論誤差為=0。實驗結果與理論值比擬一致，其精度可達0.01。三、求波爾茲曼常數(shù)由式11可知，在保持T不變的情況下，只要分別在不同電流IF1、IF2下測得相應的VF1、VF2就可求得波爾茲曼常數(shù)k。12為了提高測量的精度，也可根據(jù)式1指數(shù)函數(shù)的曲線回歸，求得k值。方法是以公式的正

9、向電流IF和正向壓降VF為變量，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，用E*cel進展指數(shù)函數(shù)的曲線回歸，求得A、B值，再由A=Is求出反向飽和電流，求出波爾茲曼常數(shù)k?！緦嶒炄菖c步驟】實驗前，請參照儀器使用說明，將DH-SJ型溫度傳感器實驗裝置上的加熱電流開關置關位置，將風扇電流開關置關位置，接上加熱電源線。插好Pt100溫度傳感器和PN結溫度傳感器，兩者連接均為直插式。PN結引出線分別插入PN結正向特性綜合試驗儀上的+V、-V和+I、-I。注意插頭的顏色和插孔的位置。翻開電源開關，溫度傳感器實驗裝置上將顯示出室溫TR，記錄下起始溫度TR。1、測量同一溫度下，正向電壓隨正向電流的變化關系，繪制伏安特性曲線；為了獲

10、得較為準確的測量結果，我們在儀器通電預熱10分鐘后進展實驗。先以室溫為基準，測整個伏安特性實驗的數(shù)據(jù)。首先將PN結正向特性綜合試驗儀上的電流量程置于1檔，再調(diào)整電流調(diào)節(jié)旋鈕，觀察對應的VF值應有變化的讀數(shù)?？梢园凑毡?的VF值來調(diào)節(jié)設定電流值，如果電流表顯示值到達1000，可以改用大一檔量程，記錄下一系列電壓、電流值于表1。由于采用了高準確度的微電流源，這種測量方法可以減小測量誤差。注意，在整個實驗過程中，都是在室溫下測量的。實際的VF值的起、終點和間隔值可根據(jù)實際情況微調(diào)。有興趣的同學也可以再設置一個適宜的溫度值，待溫度穩(wěn)定后，重復以上實驗，測得一組其他溫度點的伏安特性曲線。2、在同一恒定正

11、向電流條件下，測繪PN結正向壓降隨溫度的變化曲線，確定其靈敏度，估算被測PN結材料的禁帶寬度；選擇適宜的正向電流IF，并保持不變。一般選小于100A的值，以減小自身熱效應。將DH-SJ型溫度傳感器實驗裝置上的加熱電流開關置開位置，根據(jù)目標溫度，選擇適宜的加熱電流，在實驗時間允許的情況下，加熱電流可以取得小一點，如0.30.6A之間。這時加熱爐溫度開場升高，開場記錄對應的VF和T于表2。為了更準確地記數(shù)，可以根據(jù)的變化，記錄T的變化。注意：在整個實驗過程中，正向電流IF應并保持不變。設定的溫度不宜過高，必須控制在120以。3、計算玻爾茲曼常數(shù),學習用E*ECL進展指數(shù)函數(shù)的曲線回歸的方法。直接計

12、算法：對表1測得的數(shù)據(jù)，用公式12，計算出玻爾茲曼常數(shù)k =。曲線擬合法：借用E*cel程序擬合指數(shù)函數(shù)。以公式的正向電流IF和正向壓降VF為變量，根據(jù)表1測得的數(shù)據(jù)，以VF為*軸數(shù)據(jù)，IF為y軸數(shù)據(jù)，用E*cel進展指數(shù)函數(shù)的曲線回歸，求得A、B值，再由A=Is，估算出反向飽和電流；，求出波爾茲曼常數(shù)k。E*cel中自動擬合曲線的方法： 1在E*cel中將選中需要擬合的正向電壓和正向電流數(shù)據(jù)，依次點擊E*cel程序菜單插入圖標標準類型*y散點圖子表類型無數(shù)據(jù)點平滑散點圖下一步，出現(xiàn)數(shù)據(jù)區(qū)域、系列選項，在數(shù)據(jù)區(qū)域選項中，可根據(jù)實際的數(shù)據(jù)區(qū)域的排列，選擇行或列；在系列選項中可填入不同系列的代號，

13、如該曲線測量時的溫度值；點擊下一步，出現(xiàn)圖標選項，在標題項中，可填入圖標標題、數(shù)值*軸、數(shù)值Y軸容，如PN 結伏安特性、正向電壓V、正向電流A，在網(wǎng)格線項中，可選擇主要網(wǎng)格線、次要網(wǎng)格線；點擊下一步，可完成曲線的圖表繪制。完成后的圖標，如果需要更改，還可以繼續(xù)設置。雙擊圖標區(qū)域，在彈出的繪圖區(qū)格式中，可以選擇繪圖區(qū)的背風光；雙擊坐標軸，在彈出的坐標軸格式框中，可設置坐標軸的刻度、起始值等，可根據(jù)需要自行設置。完成以上設置后，在已產(chǎn)生圖表中，右鍵單擊數(shù)據(jù)曲線，在右鍵菜單中，選擇添加趨勢線，在類型菜單中選擇要生成曲線的類型，這里選擇指數(shù)*，在選項菜單中選中顯示公式、顯示R平方值點擊確定即可顯示公式

14、。右鍵點擊公式，點擊數(shù)據(jù)標志格式，選擇數(shù)字欄的科學計數(shù)，小數(shù)位數(shù)選擇3位，點擊確定，即可根據(jù)此公式可求出：A=，B=，相關系數(shù)= 。估算反向飽和電流Is =A=，波爾茲曼常數(shù)=。4、求被測PN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度SmV/K)。以T為橫坐標，VF為縱坐標，作VFT曲線，其斜率就是S。這里的T單位為K。用E*cel對VFT數(shù)據(jù)按公式進展直線擬合，方法同前，參數(shù)可重新設定，建議*軸坐標起始點選270K。在添加趨勢線時，在類型菜單中選擇線性L即可。根據(jù)得到的公式，可求出：A=，B=，相關系數(shù)= 。1斜率，即傳感器靈敏度SA=_;2截距Vg(0) =B=_V0K溫度；5、估算被測PN結材料的禁帶

15、寬度。1由前，PN結正向壓降隨溫度變化曲線的截距B就是的值。也可以根據(jù)公式10進展單個數(shù)據(jù)的估算，將溫度T和該溫度下的VF代入即可求得，注意T的單位是K。2將實驗所得的Eg(0)=qVg(0)=電子伏，與公認值Eg(0)=1.21電子伏比擬，并求其誤差。*6、探究：用給定的PN結測量未知溫度。實驗使用的PN結傳感器可以方便地取出。根據(jù)實驗原理，結合實驗儀器，將該PN結制成溫度傳感器，試用其測量未知的溫度。具體過程請自行設定。PN結特性的研究和應用數(shù)據(jù)原始記錄紙*班級表1 同一溫度下正向電壓與正向電流的關系 T= 序號12345678VF/V0.3500.3600.3700.3800.3900.4000.4100.42