综合设计研究性实验报告.docx
- 文档编号:4901309
- 上传时间:2022-12-11
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:212.16KB
综合设计研究性实验报告.docx
《综合设计研究性实验报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《综合设计研究性实验报告.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
综合设计研究性实验报告
宁夏大学
基础物理实验中心
电磁学实验课程
综合设计研究性实验报告
(2011~2012学年第二学期)
题目:
基于运算放大器组成的I-U变换器测量与研究PN结的物理特性及弱电流
院(系):
物理电气信息学院
专业班级:
物理师范11-
(2)班
学号:
12011244263
学生姓名:
陈立新
分数:
指导教师:
杜全忠
摘要:
阐述了pn结的物理特性,及根据结的物理特性测定玻尔兹曼常数的原理.并根据所给仪器及器件,设计实验方案并测量通过pn结的扩散电流与pn结电压之间的关系,并对实验数据进行回归分析处理,证实pn结电流与电压关系遵循玻尔兹曼分布律。
在测得pn结器件温度情况下,通过实验得到玻尔兹曼常数。
Abstract:
ElaboratedthePNnodephysicalcharacteristics,andaccordingtothenodefordeterminingphysicalpropertiesofBoltzmannconstantprinciple.Andaccordingtotheapparatusanddevices,designtheexperimentschemeandmeasurementthroughthePNnodeofthePNnodediffusioncurrentandvoltagerelationship,andtheregressionanalysisoftheexperimentaldataprocessing,andconfirmedthatthePNjunctioncurrentandvoltagerelationshiptofollowBoltzmanndistributionlaw.ThemeasuredPNjunctiontemperatureconditions,obtainedbytheBoltzmannconstant.
关键词:
运算放大器:
I-U变换器:
PN结的物理特性:
弱电流.
Keywords:
OperationalAmplifiers:
I-Uconverter:
PNphysicalcharacteristics:
weakcurrent
目录
1.引言.............................1
2.实验目的............................4
3.实验仪器及仪器介绍...............5
4.实验原理..........................5
4.1运算放大器的概述及作用........5
4.2运算放大器组成的I-U变换器.....6
4.3PN结的概述及工作原理..........8
5.实验内容.........................10
5.1PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量.................................10
5.2弱电流测量....................11
6.数据处理及结论分析..............13
6.1数据处理方法..................13
6.2数据处理内容及分析............14
7.注意事项及实验的讨论............17
8.参考文献........................18
1.引言
pn结的物理特性是物理学和电子学重要基础内容之一,各种半导体器件都是以pn结为基础的.玻尔兹曼常数k是物理学中一个基本常数.伏安特性是PN结的基本特性,测量PN结的扩散电流与PN结电压之间的关系,可以验证它们遵守波尔兹曼分布,并进而求出波尔兹曼常数的值.PN结的扩散电流很小,为10-6~10-8A数量级,所以在测量PN结扩散电流的过程中,运用了弱电流测量技术,即用运算放大器对电流进行电流-电换。
根据pn结的正向电流与电压的关系,可以设计出一种仪器用物理实验方法测量pn结的伏安特性;通过一系列技术手段消除各类误差后,比较精确的测出玻尔兹曼常数此外,根据pn结正向压降随温度的变化规律,还可以通过pn结实现测温以及温控功能。
2:
实验目的
(1)学习用运算放大器组成电流—电压变换器测量微弱电流.
(2)了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法.
(3)测量PN结结电压与电流关系,证明此关系符合指数分布规律,用作图法求玻尔兹曼常数.
3:
实验仪器及仪器介绍
1:
直流电源(量程分别为0-15V和0-1.5V连续可调)
2:
数字电压表组合装置(三位半数字电压表;量程0-2V,四位半数字电压表;量程0-20V)
3:
实验板:
由电路图,LF356集成运算放大器,印刷电路引线,多圈电位器和接线柱等组成。
4:
TIP31型硅三极管:
带三根引线,属待测样品.三极管的e.b.c三个电极分别插入实验板右侧面接线柱的相应插口内。
5:
不锈钢保温杯:
含保温杯,内盛少量变压器的油的玻璃试管,搅拌器和0-50℃温度计等
4:
实验原理
4.1运算放大器的概述及作用
运算放大器(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。
在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。
由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”。
运放是一个从功能的角度命名的电路单元,可以由分立的器件实现,也可以实现在半导体芯片当中。
随着半导体技术的发展,大部分的运放是以单芯片的形式存在。
它可以把信号放大,大小比较,精密整流,阻抗变换,滤波,电压信号变电流信号,电流信号变电压信号,电压信号变成频率信号,频率信号变电压信号,等等。
4.2运算放大器组成的I-U变换器进行弱电流测量
图1
实验装置如图1所示,所用PN结由三极管提供,加在三极管B、E间的电压
则通过的电流为
,三极管电流分布满足
,又因为
很小,所以
;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,把
放大成
,且它们之间满足线性关系,因此可以说
与
之间满足指数函数关系,那么
与流过PN结的电流
也满足指数关系。
其工作原理如图2所示,
为被测弱电流,
为电路的等效输入阻抗,
为负反馈电阻,运放的开环放大倍数为
,运算放大器的输出电压为
(2)
由于运放输入阻抗为无限大,反馈电阻流过的电流近似为
,
(3)
式(3)中UI为输入电压,K0为运算放大器开环电压增益,即图2中电阻Rf→∞时的电压增益,Rf称为反馈电阻。
因为理想运算放大器的输入阻抗rf→∞,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。
因而有:
(4)
由(4)式可得电流—电压变换器等效输入阻抗Zr为
(5)
由(3)式和(4)式可得电流—电压变换器输入电流IS与输出电压U0之间的关系,即:
(6)
由(6)式知,只要测量输出电压U0和已知Rf值,即可求得IS值。
以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来计算Zr和IS值的大小。
对LF356运放的开环增益K0=2×105,输入阻抗ri≈1012Ω。
若取Rf为1.00MΩ,则由(5)式可得:
若选用四位半量程200mV数字电压表,它最后一位变化为0.01mV,那么用上述电流—电压变换器能显示最小电流值为:
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。
4.3PN结的概述及工作原理
Pn结的形成;
因浓度差
↓
多子的扩散运动?
由杂质离子形成空间电荷区
↓
空间电荷区形成形成内电场
↓↓
内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。
PN结的内电场方向由N区指向P区。
在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。
形成过程图如下:
 ̄
PN结的单向导电性:
PN结具有单向导电性,若外加电压使电流从P区流到N区,PN结呈低阻性,所以电流大;反之是高阻性,电流小,如果外加电压使PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压,简称正偏;
PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压,简称反偏。
(1)PN结加正向电压时的导电情况
外加的正向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。
于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。
扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。
(2)PN结加反向电压时的导电情况
外加的反向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相同,加强了内电场。
内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩
散电流大大减小。
此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。
PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论:
PN结具有单向导电性。
5.实验内容
5.1PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量
PN结的正向电流-电压关系满足:
(1)
当
时,
(1)式括号内-1项完全可以忽略,于是有:
(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结关系值,则利用
(1)式可以求出。
在测得温度后,就可以得到,把电子电量作为已知值代入,即可求得玻尔兹曼常数。
实验线路如图1所示。
5.2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2所示。
其中虚线框内电阻
为电流-电压变换器等效输入阻抗。
1.实验线路如图1所示。
图中V1为三位半数字电压表,V2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的管中,油管下端插在保温杯中,保温杯内放有室温水。
变压器油温度用0—50℃的水银温度计测量
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测一数据点于,测15个数据点,若U2值达到饱和(U2值变化较小或基本不变),结束测量。
在记录数据开始和记录数据结束都要同时记录变压器油的温度θ,取温度平均值
。
3.改变保温杯内水温,用搅拌器搅拌的水温与管内油温一致时,重复测量U1和U2关系数据,并与室温测得的结果进行比较。
(也可以在保温杯内放冰屑做实验)
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σ。
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:
(1)线性函数;
(2)乘幂函数;
(3)指数函数。
求出各函数相应的和值,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,得出相应因变量的预期值,并由此求出各函数拟合的标准差:
式中n为测量数据个数,UI为实验测得的因变量,为将自变量代入基本函数后得到因变量预期值,最后比较哪一种基本函数的标准差最小,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值代入,求出玻尔兹曼常数,并说明玻尔兹曼分布的物理含义。
6.数据处理及结论分析
6.1数据处理方法
据要求用最小二乘法处理数据,假设PN结电流和电压的关系满足
所以先要对公式
进行线性化处理。
由于U2和I是线性关系,即
=A*U2,A可视为微小电流转换为电压的转换系数。
首先以U2替换I,公式变化为A
两边取对数:
-lnA
令:
lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b
上式变化为:
根据最小二乘法的计算公式:
6.2数据处理内容及分析
数据记录:
室温:
28.0℃θ1=28.0℃θ2=28.0℃电流I=100
t1(℃)
16.91
t2(℃)
16.95
(℃)
16.93
:
n
1
0.350
0.065
-0.005
0.000
-2.733
7.115
2
0.360
0.100
0.005
0.000
-2.302
7.546
3
0.370
0.150
0.015
0.000
-1.897
7.951
4
0.380
0.233
0.025
0.001
-1.457
8.391
5
0.390
0.347
0.035
0.001
-1.058
8.790
6
0.400
0.529
0.045
0.002
-0.637
9.211
7
0.410
0.789
0.055
0.003
-0.237
9.611
8
0.420
1.132
0.065
0.004
0.124
9.972
9
0.430
1.720
0.075
0.006
0.542
10.390
10
0.440
2.603
0.085
0.007
0.957
10.805
11
0.450
3.798
0.095
0.009
1.332
11.180
12
0.460
5.739
0.105
0.011
1.747
11.595
13
0.470
8.264
0.115
0.013
2.119
11.967
Σ
4.620
25.304
0.710
0.057
-3.500
124.530
0.355
1.946
0.055
0.004
-9.848
9.579
ao
-1.6816E+01
r
9.82150E-01
δ
0.095
K=e/boT
bo
40.357
(单位:
J/K)
290.08K
e:
1.602E-19
R(Ω):
1.000E+06
50.630
-0.038
0.068
-0.003
0.000
56.949
0.035
0.068
0.065
0.004
63.226
0.116
0.152
-0.002
0.000
70.417
0.207
0.228
0.005
0.000
77.273
0.304
0.341
0.006
0.000
84.851
0.411
0.510
0.019
0.000
92.381
0.525
0.764
0.025
0.001
99.450
0.644
1.143
-0.011
0.000
107.962
0.775
1.712
0.008
0.000
116.759
0.914
2.563
0.040
0.002
125.003
1.058
3.837
-0.039
0.002
134.455
1.213
5.744
-0.005
0.000
143.221
1.372
8.600
-0.336
0.113
1222.578
7.536
25.730
-0.228
0.122
94.044
0.580
1.979
-0.018
0.009
1.368E-23
Io=ao/R
-1.68E-05
仪器编号:
20010958
公认值:
1.381E-23
单位:
(A)
综上,应为指数函数形式
U2=A1*e(-u1/t1)+y0
所以可得e/KT=t1=0.0255T=297.05K
可得K=t1*e/T=1.374*10-23J/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*10-23J/K两者相差无几
7.注意事项及实验的讨论
注意事项
1.数据处理时,对于扩散电流太小(起始状态)及扩散电流接近或达到饱和时的数据,在处理数据时应删去,因为这些数据可能偏离公式
(1)。
2.必须观测恒温装置上温度计读数,待TIP31C三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录
和
数据。
3.用本实验仪器完成实验,TIP31C型三极管温度可采用的范围为室温--50℃。
若要在-120℃-0℃温度范围内做实验,必须有低温恒温装置。
实验讨论
1.本实验为何不易采用硅二极管而采用三极管?
答:
本实验集电极与基极短接,集电极电流中仅仅有扩散电流,复合电流主要在基极出现,测量集电极电流时,将不包括它,同时二极管的复合电流非常大,所以要采用三极管。
2.简述玻尔兹曼分布的物理意义。
答:
玻尔兹曼分布的物理意义:
当有保守外力(如重力场、电场等)作用时,微粒的空间位置就不再均匀分布了,不同位置处微粒数密度不同。
玻耳兹曼分布律是描述在受保守外力作用、或保守外力场的作用不可忽略时,处于热平衡态下的微粒按能量的分布规律。
8.参考文献
【杨述武】.《普通物理试验》(第三版-三、四册).北京教育出版社.2000.
【岑敏锐】.《大学物理实验》.2011年03期
【吴泳华】.《大学物理试验》.北京:
高等教育出版社.2005.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 综合 设计 研究 实验 报告