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半导体 PN 结的物理特性. 石浩. 1. 实验目的 2. 实验原理 3. 实验内容 4. 实验数据处理 5. 总结和收获. 1. 实验目的 （ 1 ）测量半导体 PN 结电流与电压的关系 （ 2 ）测定 PN 结温度传感器的灵敏度和玻耳兹曼常数 2. 实验原理
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半导体PN结的物理特性 石浩
1.实验目的 • 2.实验原理 • 3.实验内容 • 4.实验数据处理 • 5.总结和收获
1.实验目的 • （1）测量半导体PN结电流与电压的关系 • （2）测定PN结温度传感器的灵敏度和玻耳兹曼常数 • 2.实验原理 • PN结（PN junction）。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
（1）PN伏安特性及玻耳兹曼常数测量 • 本实验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 。
（2）．弱电流测量 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),如图所示。其中虚线框内电阻Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。 （3）.PN结的结电压U与热力学温度T关系测量
3.实验步骤 • （1）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0.3V至0.42V范围每隔0.01V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，取温度平均值。
（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U1和U2的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。（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U1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、乘幂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δ。对已测得的U1和U2各对数据，以U1为自变量，U2作因变量，分别代入：
（a）线性函数U2=aU1+b； • （b）乘幂函数U2=aU1b； • （c）指数函数。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。办法是：把实验测得的各个自变量U1分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值U2*,并由此求出各函数拟合的标准差 . • (5)．计算/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。
二、关系测定，求PN结温度传感器灵敏度S，计算硅材料0K时近似禁带宽度值。二、关系测定，求PN结温度传感器灵敏度S，计算硅材料0K时近似禁带宽度值。 • 1.通过调节电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流I＝100μA。同时用电桥测量铂电阻的电阻值，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℃－10℃测一定值（即V1）与温度（℃）关系，求得关系。（至少测6点以上数据） • 2.用最小二乘法对关系进行直线拟合，求出PN结测温灵敏度S及近似求得温度为0K时硅材料禁带宽度 .
4.实验数据处理 • 1.关系测定，曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。以U1为自变量，U2为因变量，分别进行线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合。 • 2. 电流I＝100μA时，关系测定，求PN结温度传感器的灵敏度S，计算0K进硅材料的近似禁带宽度。
实验所得结果 • 1.计算玻尔兹曼常数： • 由数据得 • e/k=bT =1.059×104CK/J • 则 • = 1.513×10-23J/K • 将结果与玻尔兹曼公认值进行比较。
2.用ORANGE对数据进行直线拟合得： • （1）斜率，即传感器灵敏度S＝ • -0.00172 mV/K • （2）截距=1.1169 V（0K温度） • （3）相关系数r＝0.98235 • （4） 禁带宽度=1.1169 电子伏特，将此结果与硅在0K温度时禁带宽度公认值＝1.205eV相比较。
6.总结和收获 • 这个实验看上去步骤是很多的，尤其是要测出三组数据，还有要改变电路，加热冷却；后来听老师说过原理之后就明白了它的原理，按照电路图连接电路后按部就班做下来之后发现这个实验并不是很复杂。 • 在分析数据的时候，起初我没有把对扩散电流太小（起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的数据删去，所以总是得不出较好的结果。后来才发现，之后删除那些数据拟合出来的图线较为完美了，得到这些图像后我才真正了解了半导体的物理特性，真正动手做一个实验和理论上研究实验原理是由本质区别的。
