PN结正向压降与温度关系的研究实验报告Word下载.docx
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与正向电压
满足以下关系
=
(exp
-1)⑴
式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数,T为热力学温度,
为反向饱和电流,它是一个与PN结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数,是不随电压变化的常数。
由于在常温(300K)下,kT/q=0.026,而PN结的正向压降一般为零点几伏,所以exp
》,1上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有
⑵
这就是PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN结的
关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T后,就可得到e/k常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中,二极管的正向
关系虽能较好满足指数关系,但求得的k值往往偏小,这是因为二极管正向电流
中不仅含有扩散电流,还含有其它电流成份。
如耗尽层复合电流.、表面电流等。
在实验中,采用硅三极管来代替硅二极管,复合电流主要在基极出现,三极管接成共基极线路(集电极与基极短接),集电极电流中不包含复合电流。
若选取性能良好的硅三极管,使它处于较低的正向偏置状态,则表面电流的影响可忽略。
此时集电极电流与发射极—基极电压满足⑵式,可验证该式,求出准确的e/k常数。
2.PN结材料禁带宽度的测量:
由物理学知,PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差
有如下关系
⑶
⑶式中,r是常数,C是与结面积、掺杂浓度等有关的参数,将⑶式代⑴式后两边取对数得
⑷
其中
五、实验内容
1.测量玻尔兹曼常数k
在一定温度的条件下,测量
的关系曲线,实验可在室温下进行。
2.测量PN结材料禁带宽度
将“测量选择”开关K拨到If,调节If=50μA,将K拨到VF,记下起始温度TS时的VF(TS)值,再将K置于ΔV,调节使ΔV=0。
测定ΔV-T关系曲线:
打开电源开关,逐步提高加热电流,测量ΔV所对应的T值,ΔV每变化10mV记录T的值。
测量时应注意,升温速度不要太快,温度不宜过高120º
C。
六、数据记录和处理
1.求波尔兹曼常数k
室温TR=19.2º
C
表1玻尔兹曼常数k的测量
IF(μA)
1
2
3
4
VF(mV)
378
454
507
516
526
5
6
7
8
9
530
536
541
544
548
10
20
30
40
50
552
569
579
586
592
60
70
80
90
100
597
601
604
607
610
用MATLAB将IF、VF数据按指数函数拟合出方程。
代码:
I=[123456789102030405060708090100];
V=[454507516526530536541544548552569579586592597601604607610];
I=I/10^6;
V=V/10^3;
Cftool
利用自带拟合工具cftool进行拟合。
结果为:
GeneralmodelExp1:
f(x)=a*exp(b*x)
Coefficients(with95%confidencebounds):
a=8.923e-014(-3.335e-014,2.118e-013)
b=34.1(31.81,36.38)
Goodnessoffit:
SSE:
1.025e-010
R-square:
0.9949
AdjustedR-square:
0.9946
RMSE:
2.455e-006
处理数据得:
e/kT=34.1,则
k测量值=1.6*10^-19/(273.15+21.3)*34.1=1.33*10^-23
k真实值=
Ek=|k-k真实值|/=|1.33-1.38|/1.38=3.6%
2.测PN结硅材料的禁带宽度
起始温度TS=19.3º
C,正向压降VF(TS)=592mV,将测量的数据记入表2中。
表2禁带宽度VE的测量
ΔV(mV)
T(º
C)
19.3
23.8
28.2
32.7
37.3
41.6
46.1
50.6
55.0
59.3
63.8
用MATLAB作ΔV-T关系曲线,求该直线的斜率S。
dV=[0102030405060708090100];
T=[19.323.828.232.737.341.646.150.655.059.363.8];
LinearmodelPoly1:
f(x)=p1*x+p2
p1=2.247(2.239,2.256)
p2=-43.5(-43.87,-43.13)
0.2731
1
0.1742
S=-2.247
Vg(0)=VF(0)+VF(0)ΔT/T=VF(273.2)+S*ΔT=592-2.247(-273.2+19.3)=1162mV=1.16V
则在室温19.3℃下测得的PN结禁带宽度:
Eg(0)=eVg(0)=1.16eV
七.实验感受及收获:
通过这次的实验,我了解了PN结正向电流和正向压降之间按指数变化的规律,并通过测绘了PN结正向压降随温度变化的关系曲线,确定了其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。
除此之外主要的是我学着使用计算机上一些软件帮助处理数据更好地得到结果。
这个实验的数据处理用MATLAB操作起来其实并不难,反而非常方便且准确,但花了不少时间。
这是因为对于这类软件接触太少。
这次实验让我了解到在今后的实验和科研中应用计算机的重要性,会努力提高自己的水平。
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