复旦大学 物理实验(上) 半导体PN结的物理特性实验报告

半导体PN结的物理特性

实验目的与要求

1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。

2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。

3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。

实验原理

PN 结的物理特性测量

由半导体物理学中有关PN 结的研究，可以得出PN 结的正向电流一电压关系满足

（1）

式中I是通过PN 结的正向电流，I0是不随电压变化的常数，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(300 K)下，KT/e =0,026 V，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则e eU/kT>>l，(1)式括号内-1 项完全可以忽略，于是有

(2)

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e/kT. 在测得温度T 后，就可以得到e/k 常数，然后将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，为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性，利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点，常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替PN结进行测量. 具体线路如图下

实验仪器

PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置

1 、直流电源和数字电压表，包括—15 V——0——+ 15V直流电源、1.5 V直流电源、0——

2 V三位半数字电压表、四位半数字电压表.

2、LF356 集成运算放大器，它的各引线脚如2脚、3 脚、4 脚、6 脚、7 脚由学生用棒针

引线连接;待测样品TIP31型三极管的e、b、c 三电极可以从机壳右面接线柱接入

3、不诱钢保温杯組合，它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器水银温度计等. (实验时，开始保温杯内为适量室温水，然后根据实验需要加一些热水，以改变槽内水的温度; 测量时应搅拌水，待槽内水温恒定时，进行测量）

实验内容

一、必做部分：

1、在室温（保温杯加入适量的自来水，为什么？）下，测量PN结正向电流与电压的关系。·粗略测量PN结正向电压U1及正向电流所对应的电压U2之间的关系。（U2何时出现饱合？为什么会出现饱合？）

·由粗测结果确定仔细测量的范围（U2大致的变化范围是多少？）；约测12-16组数据。·用最小二乘法对实验数据分别作线性、指数、乘幂等函数的拟合，由求得的回归系数和标准偏差来判断各函数的优劣。

·计算玻尔兹曼常数k。

2、保持PN结正向电压不变，测量PN结正向电流与温度的关系。

·温差不小于30℃，不少于7组数据。（如何保持PN结的正向电流不变？）

·以此推算反向饱和电流与温度的关系，并计算0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。

3、保持PN结正向电流不变，测量PN结正向电压与温度的关系。

·温差不小于30℃，不少于7组数据。

·以此推算正向电压与温度的关系，并计算0K时PN结材料（硅）的禁带宽度。

实验数据记录

1、粗测：

粗测时分为三个阶段，第一阶段是V2<0，此时V1<274.66mV，当V2=0时，V1=274.66mV 接下来是第二阶段，V2>0，V1和V2都发生变化，但V2变化幅度逐渐变小，直至几乎不变，当V2=13.503V时，不论V1如何变化，V2都几乎不再发生变化，刚到达此值时，V1=0.4745V 再后来是第三阶段，V1继续变化，但V2几乎不变。

则所取细测范围为274.66mV~0.4745V之间。

细测：(小数点后5位的原测量时单位为mV)

组数V1/V V2/V T/°C

1 0.27320 0.00004 23.7

2 0.28617 0.00420 23.8

3 0.29920 0.01117 23.8

4 0.31217 0.0224

5 23.8

5 0.3252 0.04145 23.8

6 0.3382 0.07314 23.8

7 0.3512 0.12625 23.9

8 0.3642 0.21435 23.9

9 0.3772 0.3617 23.9

10 0.3902 0.6053 23.9

11 0.4032 1.0102 23.9

12 0.4162 1.6975 24.0

13 0.4292 2.8294 24.0

14 0.4422 4.7240 24.1

15 0.4552 7.8870 24.1

16 0.4682 13.108 24.1

下面是作图后的拟合图像：

1、直线拟合偏差：截距 3.9215 斜率10.44314 偏差较大

2、指数拟合y=y0+A1*e((x-x0)/t1)y=-0.00796+0.0114*e((x-0.28847)/0.0255)偏差y0 0.00188 t1 2.11219*10-5偏差较小

3、幂函数拟合y=a*x^b 偏差 a 809874.08472 b 0.12955 偏差较大

综上，应为指数函数形式

U2=A1*e(-u1/t1)+y0

所以可得e/KT=t1=0.0255 T=297.05K

可得K=t1*e/T=1.374*10-23 J/K

不确定度(u(k)/k)2=(u(t)/t)2+(u(T)/T)2+(u(e)/e)2

U(t)/t=0.000828

U(T)/T=0.0310

所以u(K)=4.26*10-25

K=(1.374+0.0426)*10-23J/K 真实值为1.38*10-23 J/K 两者相差无几

2、

V1=0.3500V T0=27.0°C

组数U2/V T/K 反向电流Is

1 0.1805

2 300.15 2.43*10-13

2 0.3209 305.15 2.4*10-8

3 0.5498 310.15 4.2*10-8

4 0.9450 315.1

5 7.3*10-8

5 1.5819 320.15 1.24*10-7

6 2.6076 325.15 2.08*10-7

7 4.2070 330.15 3.42*10-7