1、PN結物蹴勝及蝌嫂常數的測量平.導體PN結的物理特性是物理學和電子學的重要基礎內容之一，PN結也是很多半導體器件的核心，PN結的性質集中反映了半導體導電性能的特點。PN結所具有的半導體特有的物理現象，一直受到人們的廣泛重視。用運算放大器組成電流-電壓變換器測量弱電流，可以測量出PN結擴散電流與電壓關系，證明此關系遵循指數分布規律，井較精確地測出玻爾茲曼常數。PN結構成的二極管和三極管的伏安特性與溫度密切相關，利用這一特性可制成PN結溫度傳感器，包括二極管溫度傳感器和三極管溫度傳感器，以及集成電路溫度傳感器，這類傳感器具有靈敏度高、響應快、體積小等特點，在自動溫度檢測等方面有廣泛的應用。本實驗中

2、可以通過測最PN結止向電壓Uf與熱力學溫度T的關系，求得該傳感器的N敏度，并近似求得0K時硅材料的禁帶寬度。【實驗目的】1 .在室溫時，測量PN結電流與電壓關系，證明此關系符合指數分布規律。2 .改變加熱井溫度，測量玻爾茲曼常數。3 .學習用運算放大器組成電流-電壓變換器測最弱電流。4測量PN結電壓與溫度關系，求出該PN結溫度傳感器的靈敏度。5計算半導體硅材料在0K時的近似禁帶寬度。【實驗原理】1 .PN結的伏安特性及玻爾茲曼常數測量由半導體物理學可知，PN結的正向電流If與正向電壓Uf之間滿足關系：IF=/0exp(e(/f/kT)-1(1)式(1)中T是熱力學溫度：e是電子電量；k是玻爾茲

3、曼常數；Io是PN結的反向飽和電流，它與PN結材料的禁帶寬度以及環境溫度等因索有關，可以證明：/°5xp卜釣式中C是與PN結面積、摻質濃度等有關的常數，y是另一常數，%(0)是絕對零度時PN結導帶底和價帶頂的電勢差。當溫度T一定時，Io為常數。在常溫(約3OOK)卜，kT/e0026V,而PN結的正向壓降Uf一般有零點幾伏，(1)式中的expSU/kT)»1。忽略(1)式括號中的“-1”項有:lF=Ioexp(eUF/kT)(3)若測得PN結的分關系，則利用（3）式可以求出e/kT。若再能測得溫度T,并將電子電晟e代入，即可求得玻爾茲曼常數匕在實際測量中，二極管的正向小外關

4、系雖然能較好滿足指數關系，但求得的常數k往往偏小。這是因為通過二極管電流不只有擴散電流，還有其它電流。一般它包括三個部分:擴散電流，它嚴格遵循（3）式；2耗盡層它合電流,它正比于exp（e/2H）；表面電流，它是由Si和SiCh界面中雜質引起的，其值正比于exp（e%/mkT）一般m>20因此,為了驗證（3）式以及求出準確的e/k常數，不宜采用硅二極管，而采用硅三極管接成共基極線路，因為此時集電極與基極短接，集電極電流中僅僅是擴散電流。復合電流主要在基極出現，測量集電極電流時，將不包括它。如圖1,本次實驗選取性能良好的硅三極管（TIP31型）接成共基極線路，實驗時乂處于較低的正向偏置，這

5、樣表面電流影響也完全可以忽略,所以其集電極電流與結電壓將滿足（3）式。2 .弱電流的測量該儀器靈敏度較過去實驗中10<10-UA最級弱電流一般采用光點反射式檢流計測后,高約10gA/分度，但有許多不足之處。如十分怕震，掛絲易斷；使用時稍有不慎，光標易偏出滿度，瞬間過我引起掛絲疲勞變形產生不回零點及指示誤差變大。使用和維修極不方便。近年來，集成電路與數字化顯示技術越來越普及。高輸入阻抗運算放大器性能優良，價格低廉，用它組成電流-電壓變換器測量弱電流信號，具行輸入阻抗低，電流靈敏度高。溫漂小、線性好、設計制作簡單、結構牢靠等優點，因而被廣泛應用于物理測量中。LF356是一個高輸入阻抗集成運算

6、放大器，用它組成電流-電壓變換器（弱電流放大器）,原理如圖2所示，其中虛線框內電阻乙為電流-電壓變換器的等效輸入阻抗。由圖2可得，運算放大器的輸出電壓U。為：U。=認4（4）式（4）中U、為輸入電壓，A）為運算放大器的開環電壓放大倍數，即圖2中電阻R-8時的電壓增益，R稱反饋電阻。因為理想運算放大器的輸入阻抗口一8,所以信號源輸入的電流只流經反饋網絡構成的通路。因而有：U0)/Rf=Ui(l+Ao)/Rf(5)由(5)式可得電流-電壓變換器的等效輸入阻抗Zr=%/(1+Ao)aRf/A0(6)由(4)式和(5)式可得電流-電壓變換器的輸入電流L與輸出電壓U。之間滿足關系:三.S彩三0)sAqR

7、tRt由(7)式知只要測得輸出電壓U。，利用已知足值即可求得L值。以高輸入阻抗集成運算放大器LF356為例來討論乙和L值的大小。對LF356運放的開環增益A0=2xl0"輸入阻抗噲若取&為1C0MC,則由(6)式有&=5。若選用四位半量程200mV數字電壓表測量U。，它的最后位變化為OOlmV,那么用上述電流-電壓變換器能測量的最小電流值為：(L)nun=O01X1O'lx106Q)=1X1O-11A由此說明，用集成運算放大器組成電流-電壓變換器測量弱電流，具有輸入阻抗小、靈敏度高的優點。3.PN結溫度傳感器的測溫原理將(2)式代入(3)式可求得常溫下PN結的

8、正向電壓：以=(Zg(O)-yZn-yZnH(8)PN結在小恒定電流/尸的驅動時，略去(8)式中的非線性項%=-9仃丫，仃：43=%(0)-絲節嗎或(9)式中，t為攝氏溫度。若選取溫度t/C為參考點，則U=UMt)UF(%)=(T啕JQ(10)若定義5=一9"搟為PN結溫度傳感器靈敏度,則有“+華（11）這就是PN結溫度傳感器在攝氏溫標卜的測溫原理公式。上述結論僅適用于雜質全部電離、本征激發可以忽略的溫度區間（對于通常的硅二極管來說，溫度范圍約：-50C150）。如果溫度低于或高于上述范圍時，由于雜質電離因子減小或本征載流子迅速增加，4"關系將產生新的非線性，這一現象說明“

9、T的特性還隨PN結的材料而異，對于寬帶材料（如GaAs,Eg為143eV）的PN結，其高溫端的線性區寬；而材料雜質電離能力?。ㄈ鏘nSb）的PN結，則低溫端的線性范圍寬。對于給定的PN結，即使在雜質導電和非本征激發溫度范圍內，其線性度也隨溫度的高低而有.所不同，這是非線性項Ur引起的，由U”對T的二階導數之ag可知，繆的變化與T成反比，所ClTTaT以4T的線性度在高溫端優于低溫端，這是PN結溫度傳感器的普遍規律?！緦嶒瀮x器】HLD-PN-HI型PN結物理特性綜合測定儀、TIP31傳感器、PN結傳感器、連接線等【儀器介紹】圖3儀器面板HLD-PN-m型PN結物理特性綜合測定儀的面板如圖3,圖中

10、：1直流電壓表：四位半數字電壓表，量程可在2V和20V間切換2.直流穩壓電源：三位半數字顯示，輸出可在C-l.2V和0-12V間切換3PID控溫指示及控溫設置調節PID控溫表，設置SV的方法：在面板上按一下“SET”按健，SV表頭的溫度顯示個位閃爍；按面板上的“”或“”鍵調整設置個位的溫度：再按“V”鍵使表頭的溫度顯示十位閃爍，按面板上的“”或“”鍵調整設置十位的溫度；用同樣方法還可設置百位的溫度。調好SV所需設定的溫度后，再按一下“SET”按鍵即可完成設置。4電源開關5加熱開關及加熱速度選擇6恒流源輸出：有1009A、200rA等8檔選擇7熱電傳感器實驗單元：用于擴展熱敏電阻及金屬電阻特性實

11、驗8.PN結實驗單元模板：端I1I輸入正向電流入端IU取出PN結正向電壓外9玻爾茲曼常數實驗單元模板：端見為TIP31傳感器加上正向電壓以，端口外取出由4變換而成的電壓（a=U2/R1）10.降溫開關：用于加熱井降溫11待測傳感器：TIP31傳感器（帶散熱板的功率三極管）一個、PN結傳感器一個（最佳工作電流為100處）12.實驗加熱井：用于傳感器加熱，可同時放入34個傳感器【預習思考題】1,查閱相關資料，簡述PN結的構成和物理特性，以及三極管內部我流子的運動特點。2在用基本函數進行曲線擬合求經驗公式時，如何檢臉哪一種函數是最佳擬合？【注意事項】1數據處理時，對于擴散電流太?。ㄆ鹗紶顟B）及擴散電

12、流接近或達到飽和時的數據,在處理數據時應刪去，因為這些數據可能偏離公式（3）。2.用本儀器做實驗，TIP31型三極管溫度可采用的范用為以50。3.由于各公司的運算放大器（LF356）性能有些差異，在換用LF356時，有可能達到飽和電壓5值不相同?！緦嶒瀮热菖c步驟】（一）測量PN結的心外關系，進行曲線擬合求經驗公式，計算玻爾茲曼常數kffi1熟悉實臉的原理和儀器的構成。2,先將穩壓電源的電壓調節旋鈕逆時針旋轉到底，再將最程切換至L2V檔。3.將待測傳感器TIP31放入加熱井，另一端航空插座與玻爾茲變常數實驗單元相連。4將玻爾茲曼常數實驗單元的Ui端與穩壓電源的輸出端相連（紅對紅、黑對黑），5端接

13、入直流電壓表（量程選取20V檔）。5,連接好實驗連接線，打開電源預熱10分鐘。6在室溫情況下，測最三極管發射極與基極之間電壓Ui和相應的電壓U?。在常溫卜.改變5的值約從0.300V至0450V范圍每隔0010V測量一個數據點，直至5值達到飽和（U?值變化較小或基本不變）。（5的起、終點以具體的實驗情況來判斷）7.改變加熱井的溫度，電復測取5和U2的關系數據，并與室溫測得的結果進行比較。調節PID控溫表，設置SV：10秒后，將加熱選擇開關設為慢檔，并打開加熱開關：儀器開始加熱，待溫度達到設置溫度后，重復上.述的第6步。由于溫控儀溫度穩定的達到設定的溫度需要較長的時間，一般需要1520分鐘左右，

14、請同學們耐心等待。（二）測量PN結的4T關系，求PN結溫度傳感器的靈敏度S.計算硅材料0K時的近似禁帶寬度Eg（0）1將穩壓電源的電壓調節旋鈕逆時針旋轉到底。2 .將待測傳感器3DG6型三極管放入加熱井，另一端航空插座與PN結實驗單元相連。3,恒流源的電流選擇設為100RA,電流輸出接至PN結實驗單元的I輸入端（紅對紅、黑對黑）：PN結實驗單元的U。輸出，接到直流電壓表（量程選取2V檔）。4連接好實驗連接線，打開電源預熱10分鐘。5測量PN結傳感器的外丁關系。在40C至85C范圍內改變溫度，每隔5c測量一次Uf值（約10個數據點），實驗溫度起點以具體的實驗情況判斷。由于溫控儀溫度穩定的達到設定

15、的溫度需要較長的時間，為節省時間可用連續方法測量,不需定點控溫。6將恒流源的電流改為2002，重新測量PN結傳感器的4T關系數據，并與10（VA條件下測得的結果進行比較?！緦嶒灁祿涗浖疤幚恚ㄒ唬κ覝貢rPN結的4/關系進行曲線擬合求經驗公式，計算玻爾茲曼常數1運用最小二乘法，以Ui為自變量、5為因變量對室溫時的實驗數據分別進行（1）線性函數%(2)乘尋函數U2=al/f、(3)指數函數=aexp(bUD擬合，求出相關系數r和擬合函數中的a和b值。3 .求出衡量各函數擬合好壞的標準差占究竟哪一種函數關系更符合物理規律必須用標準差來檢臉，方法是：將實驗測得的各個自變量U-分別代入三個擬合函數關系

16、，得到相應因變量的預期值U£,并由此求出各函數擬合的標準差：HlU；*】(12)式中n為測量數據個數,U%為實驗測得的因變量。最后比較哪一種基本函數為標準差最小,說明該函數擬合得最好。表1PN結氏關系的測定及曲線的擬合(室溫to=)線性回歸U：=a5+b乘某回歸U2=aU指數回歸%=aebUl1%NU2iN%N(Ui-U/V2(Ui-UiY/v2gw116Jra.ba=,b=a=,b=a=,b=由表1處理后的數據進行判斷，線性函數、乘幕函數和指數函數的擬合中哪一種數據擬合最好，并由此說明PN結擴散電流-電壓關系遵循的分布規律。4 .取最好的函數擬合結果計算玻爾茲曼常數，并將其與公認值

17、ko=L381xloWj/K比較計算百分偏差。(二)根據PN結的外7關系求PN結溫度傳感器的靈敏度S,計算硅材料0K時的近似禁帶寬度與(0)1.求被測PN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度S(mV/C)。利用作圖法，作分7曲線，其斜率就是S。2估算被測PN結材料硅的禁帶寬度(0)=。%(0)電子伏特。根據(9)式可得(13)%(0)=UF(to)+(273.2+h)S將實驗所得的場(0)與公認值%o(O)=L21eV比較，求其百分偏差。3.比較”=10(VA和a=2004兩種條件下的實驗結果，進行必要的分析討論。表2PN結的外7關系測溫點室溫to10310工作電流a/rA溫度t/r100UfN200UF/V【思考題】1.