FD-PN-4PN结物理特性测定仪使用说明(070418修订))
四合一气体检测仪 使用说明
四合一气体检测仪 使用说明1.产品技术参数一、使用前须知本仪器是一款便携式多气体检测仪，它能同时连续检测4种气体：O ，L EL（可燃气体），CO，H S。
每种气体浓度读数都会显示在液22晶显示屏上。
仪器提供用户可自行设置的低浓度/高浓度报警，及STEL/TWA报警功能。
当检测结果超出预先设置的报警设定值，仪器便以声、光及振动报警提醒用户。
2.产品简介3.仪器整机视图传感器窗口AS8930采样泵连接点向下按键向上按键光报警充电接口开机/关机按键确认按键声报警液晶显示屏二、操作说明开机按住[ ]键两秒钟后松开，仪器即可开机，同时仪器发出一声蜂鸣并伴有振动，液晶显示屏上所有的图标和字段都将点亮，接着屏幕将显示仪器软件版本。
之后，仪器进入18秒钟的倒计时，当倒计时完成后，仪器进入常规的气体读数模式。
关机持续按[ ]键3秒，待仪器3次蜂鸣后即可关机。
1.仪器操作背光灯,,开机后进入气体读数模式，将开始对全部四种气体（O LEL CO,H S）22度报警设定值（包括STEL/TWA报警设定值），仪器就会发出报警。
在报警状态下，仪器按一定频率就会发出低频蜂鸣（低浓度报警），高频蜂鸣（高浓度报警），光报警以及振动报警。
当气体浓度低于报警设定值时，仪器将返回键进入另外4个模式。
2.气体读数模式可前进至峰值显示模式。
在此模式下，屏幕将显示有毒气体和可燃气体传感器所测得的峰值气体浓度读数，氧气传感器测得3.峰值显示模式4.TWA读数观察模式]键3次，仪器进入TWA读数观察模式，在该模式下，屏幕上出现[ TWA ]字符以及两个有毒气体传感器测得的TWA（时间平均暴露量极限）数值。
TWA值在每次仪器断开电源后将重新设置，而该时间基准设定为8小时。
TWA只对有毒气体有效，若仪器为无毒气体传感器，该项将不显示。
]4在气体读数模式下，按[键次，仪器进入STEL读数观察模式，在该模式下屏幕上出现[ STEL ]字符以及两个有毒气体传感器测得的STEL数值这两个有毒气体传感器的STEL（短期暴露极限）在每次仪器断开电源后将重新设置，而STEL时间基准设定为15分钟。
pn结传感器的基本原理和应用
pn结传感器的基本原理和应用1. 介绍pn结传感器是一种基于pn结的电子器件，通过反应和测量材料或环境的物理量来实现信号的采集和转换。
本文将介绍pn结传感器的基本原理和应用。
2. pn结的基本原理pn结是一种半导体结构，由p型半导体和n型半导体的结合组成。
在pn结中，p型半导体中的杂质主要是三价的掺杂剂，例如硼，这使得p型区域在杂质离子含量下有多余的空穴。
n型半导体中的杂质主要是五价的掺杂剂，例如磷，这使得n型区域在杂质离子含量下的杂质离子有多余的电子。
当n型和p型半导体相接触时，由于能带的结构不同，电子将从n型区域流向p型区域，空穴将从p型区域流向n型区域，从而形成一个电子亏损区和一个空穴亏损区。
这个电子亏损区和空穴亏损区形成了一个空间电荷区，也称为耗尽区。
3. pn结传感器的类型3.1 光敏传感器光敏传感器是一种常见的pn结传感器，它的导电特性会受到光照强度的影响。
当光照强度较高时，光子会激发pn结中的载流子，从而增加电流。
因此，光敏传感器可以用于光强测量、光照度控制等应用。
3.2 温度传感器温度传感器是另一种常见的pn结传感器，它的导电特性会随着温度的变化而改变。
在温度变化时，载流子的流动性也会发生变化，从而引起电流的变化。
温度传感器广泛应用于温度测量、温度控制等领域。
3.3 压力传感器压力传感器是利用pn结的应变效应来测量压力的传感器。
当压力施加在pn结上时，其结构会发生微小的变形，从而改变载流子的流动性。
通过测量电流的变化，可以得到压力的值。
压力传感器广泛应用于压力监测、气体流量测量等领域。
4. pn结传感器的优势和应用场景4.1 优势•灵敏度高：pn结传感器对于不同的物理量具有较高的灵敏度，能够精确地反映物理量的变化。
•响应快：pn结传感器的响应时间通常很快，可以实时地采集信号。
•范围广：pn结传感器可以用于测量多种不同的物理量，具有较大的应用范围。
4.2 应用场景•工业控制：pn结传感器常用于工业自动化领域，监测和控制各种物理量，如温度、压力、流量等。
FD-PN-4 PN结物理特性综合实验仪说明书
FD-PN-4PN 结物理特性综合实验仪（扩散电流c I 与结电压eb U 关系，结电压eb U 与温度T 关系）说 明 书上海复旦天欣科教仪器有限公司中国上海FD－PN－4型PN结物理特性综合实验仪（PN结的伏安特性与温度特性测量仪）一、概述半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。
本仪器用物理实验方法，测量PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。
本仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN结结电压U与热力学温度T关系，求得be该传感器的灵敏度，并近似求得0K时硅材料的禁带宽度。
本仪器提供实验物理内容丰富、概念清晰、测量结果准确度高。
本仪器主要供大专院校普通物理实验教学用。
仪器稳定可靠，结构设计合理，很适用于教学用。
二、用途1、测量PN结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。
2、较精确地测量玻尔兹曼常数。
(误差一般小于2%)3、学习用运算放大器组成电流—电压变换器测量10-6A至10-8A的弱电流。
4、测量PN结结电压U与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。
be5、近似求得0K时半导体（硅）材料的禁带宽度。
6、学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法。
三、仪器组成及技术特性本仪器由四部分组成：1、直流电源±15V直流电源一组，即[+15V—0V(地)—-15V]；1.5V直流电源一组2、数字电压表三位半数字电压表0—2V一只；四位半数字电压表0—20V一只；3、实验板由运算放大器LF356、印刷引线、接线柱、多圈电位器组成。
TIP31型三极管外接。
4、恒温装置干井式铜质可调节恒温恒温控制器控温范围，室温至80℃；控温精度0.01℃；5、测温装置铂电阻及电阻组成直流电桥测温0℃（Ω=00.100R）。
四、保养和维护1、接±12V或±15V，但不可接大于15V电源。
PN结的伏安特性与温度特性测量
PN结正向压降与温度特性的研究【实验目的】1.研究pn结正向压降与温度之间的关系。
2.提出利用pn结的这个特性设计温度传感器的方案。
【实验仪器】1. pn结物理特性实验仪。
2. 保温杯。
3. 开水、冰块等。
【实验原理】1.理想的pn结正向电流IF 和压降VF 存在如下近似关系式中，q 为电子电量，K=1.38×10－23J•K-1为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，Im 为反向饱和电流，它的大小其中C 是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数；γ是热学中的比热比，也是一个常数；Vg(0)是热力学温度T=0 时，PN 结材料的能带结构中，它的导带底、价带顶之间的电势差—8212 —半导体材料的能带理论中，把有电子存在的能量区域称作价带，空着的能量区域叫导带，而电子不能存在的能量区域叫禁带。
将式(2)带入式(1)，两边取对数可得（3）其中，。
式(3)是PN 结温度传感器的基本方程。
当正向电流IF 为常数时，V 1 是线性项，Vn 1 是非线性项，这时正向压降只随温度的变化而变化，但其中的非线性项Vn 1引起的非线性误差很小(在室温下，γ=1.4 时求得的实际响应对线性的理论偏差仅为0.048mV)。
因此，在恒流供电情况下，PN 结的正向压降VF 对温度T 的依赖关系只取决于线性项V 1，即在恒流供电情况下，正向压降VF 随温度T 的升高而线性地下降，这就是PN 结测温的依据。
我们正是利用这种线性关系来进行实验测量。
必须指出，上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间，对最常用的硅二极管，温度范围约为-50℃—50℃，若温度超出此范围，由于杂质电离因子减小或本征激发的载流子迅速增加，VF —T 的关系将产生新的非线性。
更为重要的是，对于给定的PN 结，即使在杂质导电和非本征激发的范围内，其线性度也会随温度的高低有所不同，非线性项Vn 1 随温度变化特征决定了VF —T 的线性度，使得VF —T 的线性度在高温段优于低温段，这是PN 结温度传感器的普遍规律。
化学实验仪器使用说明书
化学实验仪器使用说明书一、前言本使用说明书旨在向用户介绍化学实验仪器的正确使用方法，帮助用户安全高效地进行化学实验。
在使用前，请仔细阅读本说明书，并按照指示操作。
二、仪器概述本实验仪器为化学实验室中常用的基本设备，用于支持各类化学实验的进行。
仪器主要包括以下几个部分：示波器、天平、pH计、热力学计、天然气燃烧器等。
每个部分的使用方法将在下文中进行详细说明。
三、仪器使用方法1. 示波器的使用方法示波器用于观测并记录电流的变化情况。
具体操作步骤如下：(1) 将待测电路与示波器连接，在输入端口插入信号源。
(2) 打开示波器电源，调节亮度、聚焦和边缘等控制按钮，使波形清晰可见。
(3) 调节水平、垂直和触发等控制按钮，调整波形位置和大小，确保观测结果准确可靠。
2. 天平的使用方法天平用于测量物质的质量。
具体操作步骤如下：(1) 将待测物质放置在天平的称盘上，并确保盘上没有其他杂物。
(2) 按下天平的开关，等待数秒钟，直到显示屏上的数值稳定。
(3) 记录显示屏上的数值，即为物质的质量。
3. pH计的使用方法pH计用于测量溶液的酸碱度。
具体操作步骤如下：(1) 将pH电极插入待测溶液中，确保电极完全浸泡。
(2) 打开pH计电源，待显示屏上的数值稳定后，即可读取当前溶液的酸碱度。
(3) 测量完成后，将pH电极取出并清洗，以备下次使用。
4. 热力学计的使用方法热力学计用于测量和记录热量的变化。
具体操作步骤如下：(1) 将待测溶液或物质放置在热力学计器械中，并调整相应参数。
(2) 打开热力学计的电源，开始记录热量的变化情况。
(3) 实验完成后，关闭热力学计的电源，并将数据记录保存。
5. 天然气燃烧器的使用方法天然气燃烧器用于提供燃烧源。
具体操作步骤如下：(1) 打开气源开关，并调节气体流量控制阀，使得燃烧强度适中。
(2) 用火柴或打火机点燃气体，并将待燃烧的物质放置于燃烧器的火焰中。
(3) 注意观察和记录燃烧过程中的变化和结果。
FD-NCD空气比热容比测定仪说明书
FD-NCD空气比热容比测定仪说明书上海复旦天欣科教仪器有限公司中国上海一、概述本仪器用绝热膨胀法测量空气的比热容比，主要供大专院校普通物理热学与热力学实验教学用。
由于本仪器采用扩散硅压力传感器测量空气压强，用电流集成温度传感器测空气温度，设计先进，结构安全可靠，实验结果精确。
二、用途1、测量空气的定压比热容与定容比热容之比。
2、观测热力学过程中空气状态变化及基本规律。
3、学习用传感器精确测量气体压强和温度的原理与方法。
三、结构特性本仪器主要由三部分组成：（1）贮气瓶：它包括玻璃瓶、进气活塞、橡皮塞组成；（2）传感器：扩散硅压力传感器和电流型集成温度传感器AD590各一只；（3）数字电压表二只：三位半数字电压表作硅压力传感器的二次仪表（测空气压强）、四位半数字电压表作集成温度传感器二次仪表（测空气温度）。
扩散硅压力传感器配三位半数字电压表，它的测量范围大于环境气压0--10KPa，灵敏度为20mV/KPa。
实验时，贮气瓶内空气压强变化范围约6KPa。
空气温度测量采用电流型集成温度传感器AD590，该半导体温度传感器灵敏度高、线性好，它的灵敏度为1uA/C0。
四、保养和维护1、实验时硅压力传感器请勿用手压，以免影响测量准确性。
2、玻璃活塞如有漏气，可用乙醚将油脂擦干净，重新涂真空油脂。
3、橡皮塞与玻璃瓶或玻璃管接触部位等处有漏气只需涂704硅化橡胶，即可防止漏气（硅化橡胶由江苏锡山市后宅前进化工厂生产）。
4、由于硅压力传感器各只灵敏度不完全相同，一台仪器配一只专用传感器，请勿将显示器与压力传感器互换。
五、仪器及附件1、贮气瓶一只（包括瓶、活塞二只、橡皮塞、打气球）。
2、硅压力传感器及同轴电缆。
3、电流型集成温度传感器及电缆。
4、三位半数字电压表；四位半数字电压表各一只。
用户自备：钾电池四节、5K 电阻（或电阻箱代）一只。
空气比热容比测定实验介绍目的：1、用绝热膨胀法测定空气的比热容比。
2、观测热力学过程中状态变化及基本物理规律。
四合一气体检漏仪使用说明书 气体检漏仪操作规程
四合一气体检漏仪使用说明书气体检漏仪操作规程四合一气体检测仪具有携带便利、使用快捷、在线检测等特点，在农业、化工、建筑、电力、消防、天然气、钢铁业、石油石化、污水处理等领域有侧紧要的应用，紧要用来四合一气体检测仪具有携带便利、使用快捷、在线检测等特点，在农业、化工、建筑、电力、消防、天然气、钢铁业、石油石化、污水处理等领域有侧紧要的应用，紧要用来检测仪硫化氧、一氧化碳、氧气、可燃气等四种气体的检测仪器，很多人买后不知道怎么用？四合一气体检测仪使用方法：1、进入工作区间之前，必需进行安全确认；确认无安全隐患后，方准进入工作面检测。
当检测仪器报警时，应适时撤出工作面，并在强制通风半个小时以上，再进行检测。
检测人员必需将作业地点检测结果写在确认单上，对检测数据的精准性负全面责任。
2、检测后，按规定确认翻转警示牌。
警示牌要选择在作业地点入口处牢靠地点悬挂，其他人员不得翻动警示牌，同时避开受其他原因影响；工作人员看到绿色面方准进入，作业地点。
当班生产主管应对当班检测人员的工作进行监督检查，确保本规定的有效落实。
3、将探头置于待测环境中，当有被测气体泄漏时，浓度显示的数值变大，当超过报警设定值时，报警指示灯亮，同时发出报警声。
当探头移动到泄漏源时，四合一气体检测仪浓度显示屏显示的数值为。
4、当四合一气体检测仪电池电量低提示时，说明电池已经快没电了，应适时关闭电源，并使用充电器给电池充电，每次充电为10—14小时!5、充电方法：把电源充电器插到AC220V电源插座上，再把充电插头插到探测器的充电插口内，再把四合一气体检测仪电源开关打开，给探测器充电，绿色工作灯亮，电池灯闪亮，显示屏显示————“，充电完成后，关闭电源开关，拔出充电器6、检测人员检测时，要保持两人以上的人数，一人操作，另一人监护，前后保持确定距离，严禁单人作业。
使用四合一气体检测仪必需遵守检测要求，尽职尽责地做好气体检测工作，牢记检测制度，检测方法和掌控标准。
四探针操作手册
南开大学 硅光电子学与储能实验室Four-Point Probe Operation | 2011四探针操作手册四探针操作说明书Four-Point Probe Operation 第1章引言 (1)1. 目的 (1)2. 应用范围 (1)3. 测试设备 (1)四探针 (1)数字电压源表 (2)第2章原理简述 (3)1. 薄膜(厚度≤4mm)电阻率： (3)2. 薄膜方块电阻 (3)第3章操作方法 (5)1. 引言 (5)2. 测试线连接方式 (5)3. KEITHLEY 2400高压源表设置指南 (6)4. 探针接触方式 (8)5. 数据测试指南 (8)第4章注意事项 (10)附表 (I)第1章引言1.目的本说明书主要介绍用四探针法测试薄膜方块电阻及电阻率的原理及具体操作方法。
2.应用范围测量参数：方块电阻，电阻率测量样品：均匀薄膜，均匀薄片方块电阻测试范围：0.01Ω～500MΩ电阻率测试范围：10-5Ω∙cm～103Ω∙cm样品大小：直径>1cm精度：<±5%3.测试设备四探针生产厂商：广州四探针有限公司RTS-2型基本指标：间距：1±0.01mm；针间绝缘电阻: ≥1000MΩ；机械游移率: ≤0.3％；探针：碳化钨或高速钢材质，探针直径Ф0.5mm；探针压力：5～16 牛顿(总力)；使用环境：温度:：23±2℃；相对湿度：≤65％；无高频干扰；无强光直射；基本参数：Fsp=0.1探针间距：1.0mm数字电压源表生产厂商：KEITHLEY 2400高压源表技术参数：准确度：0.012％功率：20w型号：2400品牌：吉时利测量范围：可选高电压（1100V）或大电流（3A）源/测量（A）KEITHLEY2400通用型源表,最大可测量200V的电流和1A的电流，输出功率20W.主要特点及优点:设计用于高速直流参数测度2400系列提供宽动态范围：10pA to 10A, 1μV to1100V, 20W to 1000W四象限工作0.012%的精确度，51/2 的分辨率可程控电流驱动和电压测量钳位的6位线电阻测量在4 1/2 数位时通过GPIB达1700读数/秒内置快速失败/通过测试比较器可选接触式检查功能数字I/O提供快速分选与机械手连接GPIB, RS-232, 和触发式连接面板TestPoint and LabVIEW驱动第2章原理简述将四根排成一条直线的探针以一定的压力垂直地压在被测样品表面上，在1、4 探针间通以电流I(mA)，2、3 探针间就产生一定的电压V(mV)(如图1)。
四探针说明书
0.21 210 .151 .152 .153 .154 .154 .155 .156 .157
0.22 220 .159 .159 .160 .161 .162 .162 .163 .164
0.23 230 .166 .167 .167 .168 .169 .170 .170 .171
0.24 240 .173 .174 .175 .175 176 177 .177 .178
0.35 350 .252 .253 .254 .255 .255 .256 .257 .257 .258 .259
- 5.-
(2)薄片电阻率测量: 当薄片厚度>0.5mm 时，按公式（3-3）计算ρ。 当薄片厚度<0.5mm 时，按公式（3-4）计算ρ。
(3)方块电阻测量:将修正系数调至 0.453，此时从数字表上读出的数值再乘上 10 即为 实际的方块电阻值。
(4)电阻测量，用四端子测量线作输入线，按图 5 所示夹持好样品，将修正系数调到 1.000，压下探针此时数字表上读出的数值为样品的电阻值。
仪器具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好、智能化程度高、测量简便、结构紧凑、 使用方便等特点。
仪器适用于半导体材料厂、半导体器件厂、科研单位、高等院校对半导体材料的电 阻性能的测试。特别适用于要求快速测量中低电阻率的场合。
本仪器工作条件为： 温 度： 23℃±2℃ 相对湿度： 60%～70% 工作室内应无强电磁场干扰，不与高频设备共用电源。
0.01 10 .007 .008 .009 .009 .010 .011 .012 .012
0.02 20 .014 .015 .016 .017 .017 .018 .019 .019
0.03 30 .022 .022 .023 .024 .025 .025 .026 .027
PN结特性测试实验指导书Z1703
6
附录：实验数据记录表格样式（供参考）
附表 1 玻尔兹曼常数测试实验数据记录表
T 30C
T XX C
U (mV )
300 310 320 „„ 400 410 420 „„ 500 510 520 „„ 600 610 620 „„
I (nA)
ln I
I (nA)
ln I
5
PN 结特性测试实验指导书 附表 2 PN 结温度特性测试实验数据记录表( I F
300K ）时， kT / q ≈0.026V ，而 PN 结正
向电压降约为十分之几伏，则 e qU / kT >>1，于是有：
I I 0 exp( qU / 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（2）式可以 求出 q / kT 。在测得温度 T 后，就可以得到 q / k 常数，把电子电量 q 作为已知量代入，即可求 得玻尔兹曼常数 k 。（ q
七、参考资料
［1］刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学（第 7 版）.北京：电子工业出版社. 2008. ［2］（美） Donald A.Neamen 著，赵毅强等译. 半导体物理与器件（第 3 版）. 北京：电子工 业出版社. 2005. ［3］黄昆，谢希德.半导体物理学. 北京：科学出版社. 1958.
4
PN 结特性测试实验指导书
接触，并防止剧烈碰撞。
六、思考练习题
1．为什么不直接用半导体硅二极管，而是用半导体硅三极管，并将其 B 极与 C 极短接来做被 测样品？ 2. 为什么说，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？ 3. 为获得较为准确的 V T 实验数据，在测量操作时应该注意些什么？
FD-PN-4_PN结物理特性测定仪使用说明(070418修订))
FD-PN-4_PN结物理特性测定仪使用说明(070418修订))————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2仪器使用说明TEACHER’S GUIDEBOOKFD-PN—4PN结物理特性测定仪中国。
上海复旦天欣科教仪器有限公司- 0 -Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co。
,Ltd。
FD—PN-4 PN结物理特性测定仪一、概述半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一.本仪器用物理实验方法，测量PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数（物理学重要常数之一），使学生学会测量弱电流的一种新方法。
本仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电U与热力学温度T的关系，求得该传感器的灵敏度,并近似求得0K 阻测温电桥，测量PN结结电压be时硅材料的禁带宽度.本仪器物理实验内容丰富、概念清晰、稳定可靠，结构设计合理、测量结果准确度高。
本仪器主要用于大专院校普通物理实验以及设计性研究性实验。
二、仪器简介FD—PN-4型PN结物理特性测定仪主要由直流电源、数字电压表、实验板以及干井测温控温装置组成，如图1所示。
图1 PN结物理特性测定仪实验装置三、技术指标1．直流电源±15V直流电源一组，即［+15V—0V（地）——15V］；1。
5V直流电源一组2．数字电压表三位半数字电压表量程 0—2V- 1 -- 2 -四位半数字电压表量程 0—20V 3．实验板由运算放大器LF356、印刷引线、接线柱、多圈电位器组成.TIP31型三极管外接。
4．恒温装置干井式铜质可调节恒温恒温控制器控温范围,室温至80℃；控温分辨率0。
1℃； 5．测温装置铂电阻及电阻组成直流电桥测温0℃（Ω=00.1000R ）。
pn结物理特性测试
给定的 PN 结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度也随温度的高低 而有所 不 同 ， 这 是 非 线 性 项 Vn1 引 起 的 ， 由 Vn1 对 T 的 二 阶 导 数
的变化与 T 成反比，所以 VF-T 的线性度在高温端优于 低温端，这是 PN 结温度传感器的普遍规律。 此外，由（4）式可知，减小 IF，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，目前 行之有效的方法大致有两种： I． 利用对管的两个 be 结 （将三极管的基极与集电极短路， 与发射极组成一个 PN 结） ， 在不同电流 IF1、IF2 下工作，由此获得两者之差（VF1-VF2）与温度成线性函数关系， 即
（9） 由于晶体管的参数有一定的离散性，实际值与理论值仍存在差距，但与单个 PN 结相 比， 其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成 电路 温度传感器。 II．采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知，非线性误差来自 Tr 项， 利用函数发生器，IF 正比于绝对温度的 r 次方，则 VF—T 的线性理论误差△=0。实 验结果 与理论值会比较一致，其精度可达 0.01℃。 实验内容： 1. 实验系统检查与连接 （1）左手扶隔离圆筒上盖“J” ，右手扶隔离圆筒的筒套“A” ，取下圆筒的筒套，检查 待测 PN 结管“D”和测温元件“C”应放在测试圆铜块“B”的左右两侧圆孔内，其 管脚 应不与容器接触，然后套上筒套“A” 。 （2）将测试仪面板上的控温的加热器电流旋钮“5”逆时针旋到底，使加热器电流 IH 指示“0.000”A，接上加热器电源线和七芯信号传输线。将七芯屏蔽电缆信号线的插头 端接至加热测试装置顶部的插座“H” ，连接时，应先将七芯插头与七芯插座的凹凸定 位 槽对准，再按下插头线便可插好。 将七芯屏蔽电缆信号线另一端 PN 结的两组红黑香蕉插头分别接至测试仪面板的 “12” “13” “14” “15”插孔，注意红黑要对应好，切勿接错。 再将七芯屏蔽电缆信号线另一端的温度传感器输出端的红黑香蕉插头，接至测试仪 面板的“16” “17” 插孔，注意红黑要对应好，切勿接错。 拆除信号线时，应拉插头的可动外套，决不可鲁莽左右转动，或操作部位不对而硬 拉，否则可能拉断引线影响实验。 打开电源开关，预热几分钟后，此时测试仪上的温度表（ “4” ）将显示出室温 TR，
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仪器使用说明TEACHER'S GUIDEBOOK 处心FD-PN-4PN结物理特性测定仪中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司-0 -FD-PN-4 PN结物理特性测定仪一、概述半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。
本仪器用物理实验方法，测量PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数（物理学重要常数之一）,使学生学会测量弱电流的一种新方法。
本仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN结结电压U be与热力学温度T的关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K时硅材料的禁带宽度。
本仪器物理实验内容丰富、概念清晰、稳定可靠，结构设计合理、测量结果准确度高。
本仪器主要用于大专院校普通物理实验以及设计性研究性实验。
二、仪器简介FD-PN-4型PN结物理特性测定仪主要由直流电源、数字电压表、实验板以及干井测温控温装置组成，如图1所示。
图1 PN结物理特性测定仪实验装置三、技术指标1. 直流电源± 15V直流电源一组，即[+15 V—0V（地）—-15 V];1.5 V直流电源一组2•数字电压表三位半数字电压表量程0 —2V 四位半数字电压表量程0 —20V3. 实验板由运算放大器LF356、印刷引线、接线柱、多圈电位器组成。
TIP31型三极管外接。
4 •恒温装置干井式铜质可调节恒温恒温控制器控温范围，室温至80 C ;控温分辨率0.1 C；5 •测温装置铂电阻及电阻组成直流电桥测温0 C（R0 =100.00门）。
四、实验项目1 •测量PN结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。
2 •较精确地测量玻尔兹曼常数。
（误差一般小于2%）3•学习应用运算放大器组成电流一电压变换器测量10-6A至10-8A的弱电流。
4. 测量PN结结电压U be与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。
5. 近似求得0K时半导体（硅）材料的禁带宽度。
6 •学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法。
五、注意事项1 •实验时接土12V或土15V,但不可接大于15V电源。
土15V电源只供运算放大器使用，请勿作其它用途。
2•运算放大器7脚和4脚分别接+15V和-15 V不能反接，地线必须与电源0V（地）相接（接触要良好）。
否则有可能损坏运算放大器，并引起电源短路。
一旦发现电源短路（电压明显下降），请立即切断电源。
3 •要换运算放大器必须在切断电源条件下进行，并注意管脚不要插错。
元件标志点必须对准插座标志槽口。
4. 请勿随便使用其它型号三极管做实验。
例TIP31三极管为NPN管，而TIP32型三极管为PNP管,所加电压极性不相同。
5 •陶瓷介质铂电阻请勿让学生随便取出，以免损坏陶瓷介质及拉断引线。
6 •必须经教师检查线路接线正确，学生才能开启电源，实验结束应先关电源，才能拆除接线。
半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验(本实验讲义由复旦大学基础物理实验中心协助提供)【实验目的】1在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合指数分布规律。
2 •在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数。
3•学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流。
4. 测量PN结电压与温度的关系，求出该P N结温度传感器的灵敏度。
5. 计算在0K温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度。
【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 二I。
bxp(eU/kT) -11 (1)式中I是通过PN结的正向电流，|。
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 ~ 0.026 v，而PN结正向压降约为十分之几伏，则exp(eU/kT)>>1, (1)式括号内—1项完全可以忽略，于是有：I =10 exp(eU/kT) ⑵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 o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⑵式；2)耗尽层符合电流，它正比于exp(eU / 2kT) ；3)表面电流，它是由硅和二氧化硅界面中杂质引起的，其值正比于exp(eU/mkT)，—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。
2. 弱电流测量过去实验中lO^A - 10 J1 A 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亠A /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。
图2电流一电压变换器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 Z r 为电流-电压变换器等效输入阻抗。
由图2,运算放大器的输入电压 U o为:8 7 6 512 3 4U。
一K°U i式(3)中U i为输入电压，K o为运算放大器的开环电压增益，即图4中电阻R f》：：时的电压增益，R f称反馈电阻。
因为理想运算放大器的输入阻抗r i> ::，所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。
因而有：I s =(U i -U o)/R r =U i(1 K o)/R f ⑷由(4)式可得电流-电压变换器等效输入阻抗乙为乙二U i/l s 二R f /(1 K o) : R f/K o (5)由⑶ 式和⑷式可得电流-电压变换器输入电流I z输出电压U o之间得关系式，即：I s = -虫(1 K o)/R f = -U o(1 1/K o)/R f 二一U o/R f (6)K由⑹ 式只要测得输出电压U o和已知R f值，即可求得I s值。
以高输入阻抗集成运算放大器LF356 为例来讨论乙和|s值的大小。
对LF356运放的开环增益K o =2 io5，输入阻抗r i =1012门。
若取R f为1.00 M1，则由⑸式可得：Z r =1.00 106门/(1 2 105) =5门若选用四位半量程200mV数字电压表，它最后一位变化为0.01 mV，那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为：3 6 11(I s)min =0.01 10 V/(1 10 ) =1 10 A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。
3. PN结的结电压U be与热力学温度T关系测量。
当PN结通过恒定小电流(通常电流I =1000#A)，由半导体理论可得U be与T近似关系：U be = ST U go （5）式中S-- 2.3 mV/o C为PN结温度传感器灵敏度。
由U go可求出温度OK时半导体材料的近似禁带宽度E go = qU go。
硅材料的E go约为1.20eV>【实验仪器】1. 直流电源、数字电压表、温控仪组合装置（包括土15V直流电源、0—1.5V及3.0V直流电源、三位半数字电压表、四位半数字电压表、温控仪）。
2. TIP31型三极管（带三根引线）1个,3DG三极管1个。
3. 干井铜质恒温器（含加热器）及小电风扇各1个。
4. 配件：LF356运算放大器各2块，TIP31型三极管1只，弓I线9根；用户自配：ZX21型电阻箱1 只。
【实验过程】1.1c -U be关系测定，并进行曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。
（U be1）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结与周围环境一致，把TIP31型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中，变压器油温度用铂电阻进行测量。
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0.3 V至0.42 V范围每隔0.01 V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二，取温度平均值孑。
3）改变干井恒温器温度，待PN结与油温湿度一致时，重复测量U j 和U2的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。
4）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、乘幕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―对已测得的U1和U2各对数据，以U1为自变量，U2作因变量，分另M弋入：（1）线性函数U^ aU1 b ; （2）乘幕函数U2二aU「；（3）指数函数U2二aexp（bUJ。
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。
方法是：把实验测得的各个自变量U分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值U 2,并由此求出各函数拟合的标准差：・［（U「U;）2/n式中n为测量数据个数，U i为实验测得的因变量，U i*为将自变量代入基本函数的因变量预期值,最后比较哪一种基本函数为标准差最小，说明该函数拟合得最好。
5）计算e/k常数，将电子的电量作为标准差代入，求出玻尔兹曼常数并与公认值进行比较。
电桥指零用，又作监测PN结电流，保持电流I =100」A用。
2）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, 量铂电阻R T的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，可得恒温器的实际湿度。
从室温开始每隔5 C —10 C测一点U be值（即M ）与温度二（C ）关系，求得U be -T关系。
（至少测6点以上数据）2. U be -T关系测定，求PN结温度传感器灵敏度S,计算硅材料0K时近似禁带宽度E go值。