PN結特性和玻爾茲曼常數(shù)測定1、實驗目的在同一溫度下，正向電壓隨正向電流的變化關系，繪制伏安特性曲線；在不同溫度下，測量玻爾茲曼常數(shù)；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，計算靈敏度估算被測pn結材料的禁帶寬度2、實驗儀器FB302A型PN結特性研究與玻爾茲曼常數(shù)測定儀溫度傳感器PT100PN-II型PN結綜合實驗儀3、實驗原理PN結伏安特性與玻爾茲曼常數(shù)測定由半導體物理學可知，PN結的正向電流-電壓關系滿足：ekTekT(1)式(1)中I是通過PN結的正向電流，I是不隨電壓變化的常數(shù)，T是熱力學溫度，0e是電子的電量，U為PN結正向電壓降。由于在常溫(T沁300K)時，kT/g0.02V,而pn結正向電壓下降約為十分之幾伏，則e辭?1，于是有：00(2)也即PN結正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測得PN結I-U關系值,則利用（1）式可以求出e/kT。在測得溫度后，就可以得到常數(shù)，把電子電量作為已知值代入，就可以求得玻爾茲曼常數(shù)，測得的玻爾茲曼精確值為k=1.381x1023J?K-i。為了精確測量玻爾茲曼常數(shù)。不用常規(guī)的加正向壓降測正向微電流的方法，而是采用InA：1mA范圍的可變精密微電流源，能避免測量微電流不穩(wěn)定，又能準確地測量正向壓降。弱電流測量以前常用光點反射式檢流計測量10-6A：10-11A量級戶何擴散電流，但該儀器有許多不足之處且易損壞。本儀器沒有采用高輸入阻抗運算放大器組成電流-電壓變換器（弱電流放大器）測量弱電流信號，溫漂大、讀數(shù)困難等。為了更精確地測量玻爾茲曼常數(shù)，而設計了一個能恒流輸出1nA：1mA范圍的精密微電流源。解決了在測量中很多不穩(wěn)定因素，能準確地測量正向壓降。PN結的結電壓Ube與熱力學溫度T關系測量PN結通過恒定小電流（通常電流I=1000RA），由半導體物理可知U和T近be似關系：U二ST+U ...（3）be go式（3）中Sx-2.3mV；oC為pn結溫度傳感器靈敏度。由u可求出溫度OK時半導體g°材料的近似禁帶寬度E=qU。硅材料的E約為1.20eV。gogo go4、實驗內容與主要步驟實驗系統(tǒng)檢查與連接：（1） npN三極管的be極短路，be極構成一個PN結，并用長導線連接測量儀，可方便插入加熱器。（2） 用七芯插頭導線連接測試儀器與加熱器。“加熱功率”開關置“斷”位置，在連接插頭時，應先對準插頭與插座的凹凸定位標記，即可插入。帶有螺母的插頭待插入后與插座擰緊，導線拆除時，直插式的應拉插頭的可動外套，帶有螺母的插頭應旋松，決不可魯莽左右轉動或硬拉，否則可能拉斷引線影響實驗。轉動“加熱功率”開關，從“斷”至“低”，此時測試儀上將顯示出室溫為T,R并逐漸升溫。V（°）或V（T）的測量和調零：FFR將VI量程選擇開關轉到v./擋，由“I調節(jié)”使I=50卩A，記下V（T）值，將FFFFFFFRI量程選擇開關轉到av.I擋，由“AV調節(jié)”使AV=0。FFF?測定AV-T曲線：開啟“加熱功率”開關置“低”位置（若氣溫加熱慢，可置“高”），進行變溫實驗，并記錄對應的AV和T，至于AV、T的數(shù)據(jù)測量，米用每改變10mV立即讀取一組AV、T值，這樣可以有效測量誤差。應該注意：整個實驗過程中要注意升溫速率要慢，且溫度不宜過高，最好控制在120oC以內。.求被測pN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度S（mV-oc）以T為橫坐標，AV為縱坐標，作AV-T曲線，其斜率就是S。（注意橫縱坐標）6?估算被測PN結材料的禁帶寬度。根據(jù)avTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"V=V-―T=V-ST （4）g（0） FaT F …（）實際計算時將斜率S、溫度T（注意單位為K）及此時的匕值代入上式即可求得，禁帶寬度E=qV。將實驗所得的E與公認值E=1.21eV比較，求g（0） g（0） g（0） g（0） g（0）其誤差。7.玻爾茲曼常數(shù)測量調溫度3O.OoC附近，穩(wěn)定3分鐘不變，可進行測量。VI量程選擇開關轉到FF10-6和10-9擋（常用10-8、10-9），從20nA起（先把/電位器調到零，如在PN結有IF PN低電勢電荷，用一導線在輸入端短路一下回零），等間隔（10nA）選調I，調一個

I,讀對應值U，并記錄。連續(xù)測十幾組數(shù)據(jù)。be調整溫度為60.00C附近重復以上測量分析比較測量結果。根據(jù)式(2)導出如下關系：I=Iexp(eU,'kT)I工'0 zbe \In(I『I)=In(exp(eU:kTInI-InI=eUe)lnI0U=(kT..'e)ln」e)lnI0be '從上可以看出U:InI呈線性關系。be用作圖法畫出兩個不同溫度下的U與I的關系曲線，應為一條直線，求出其斜be率，進而求得玻爾茲曼常數(shù)k，并與公稱值進行比較。5、實驗數(shù)據(jù)及處理1.測定AV-T曲線(1)實驗數(shù)據(jù)如表1所示：表1表1PN結溫度特性測試實驗數(shù)據(jù)表起始溫度：Ts=23.9+273K,其中實驗測試的條件為(2)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)用matlab作出相應的AV-T擬合曲線(作圖程序見附錄A)如圖1所示：圖1pn結溫度特性測試2.確定靈敏度根據(jù)靈敏度的定義，可知被測pN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度S（mV/（C）為AV-T曲線中擬合曲線的斜率，即有：S=2.2549mV??C-13?估算PN結材料的禁帶寬度根據(jù)式（4）可知：V/、=V（T）+ST ...（6）g（0） FR R則算出禁帶寬度：E=qV=0.674Vg（o） g（o）相對誤差：E—Es二—g^0)norm gl0!x100%二44.3%Eg(0)norm玻爾茲曼常數(shù)測量(1)30°C時表230.0°C時U-I實驗數(shù)據(jù)表

根據(jù)上述數(shù)據(jù)利用matlab繪制成相應的分析圖（代碼見附錄B），如圖2所示。2040608010012014016020406080100120140160(2)45?時表245.0°C時U-I實驗數(shù)據(jù)表此處實驗數(shù)據(jù)以及圖表的處理同上，不再贅述。0.360.3550.360.3550.350.3450.340.3350.330.3250.320.3150