PN结特性和玻尔兹曼常数测定1、实验目的1.在同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；2.在不同温度下，测量玻尔兹曼常数；3.恒定正向电流条件下，测绘结正向压降随温度的变化曲线，计算灵敏度，估算被测结材料的禁带宽度2、实验仪器1.FB302A型结特性研究与玻尔兹曼常数测定仪2.温度传感器PT1003.PN-型PN结综合实验仪3、实验原理3.1.PN结伏安特性与玻尔兹曼常数测定由半导体物理学可知，结的正向电流-电压关系满足： (1)式(1)中是通过结的正向电流，是不随电压变化的常数，是热力学温度，是电子的电量，为结正向电压降。由于在常温时，而结正向电压下降约为十分之几伏，则，于是有： (2)也即结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得结关系值，则利用(1)式可以求出。在测得温度后，就可以得到常数，把电子电量作为已知值代入，就可以求得玻尔兹曼常数，测得的玻尔兹曼精确值为。为了精确测量玻尔兹曼常数。不用常规的加正向压降测正向微电流的方法，而是采用范围的可变精密微电流源，能避免测量微电流不稳定，又能准确地测量正向压降。3.2.弱电流测量以前常用光点反射式检流计测量量级扩散电流，但该仪器有许多不足之处且易损坏。本仪器没有采用高输入阻抗运算放大器组成电流-电压变换器(弱电流放大器)测量弱电流信号，温漂大、读数困难等。为了更精确地测量玻尔兹曼常数，而设计了一个能恒流输出范围的精密微电流源。解决了在测量中很多不稳定因素，能准确地测量正向压降。3.3.PN结的结电压与热力学温度关系测量结通过恒定小电流(通常电流)，由半导体物理可知和近似关系： (3)式(3)中为结温度传感器灵敏度。由可求出温度时半导体材料的近似禁带宽度。硅材料的约为。4、实验内容与主要步骤1.实验系统检查与连接：(1)三极管的bc极短路，be极构成一个结，并用长导线连接测量仪，可方便插入加热器。(2)用七芯插头导线连接测试仪器与加热器。“加热功率”开关置“断”位置，在连接插头时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，即可插入。带有螺母的插头待插入后与插座拧紧，导线拆除时，直插式的应拉插头的可动外套，带有螺母的插头应旋松，决不可鲁莽左右转动或硬拉，否则可能拉断引线影响实验。2.转动“加热功率”开关，从“断”至“低”，此时测试仪上将显示出室温为，并逐渐升温。3.或的测量和调零：将量程选择开关转到挡，由“调节”使，记下值，将量程选择开关转到挡，由“调节”使。4.测定曲线：开启“加热功率”开关置“低”位置(若气温加热慢，可置“高”)，进行变温实验，并记录对应的和，至于、的数据测量，采用每改变立即读取一组、值，这样可以有效测量误差。应该注意：整个实验过程中要注意升温速率要慢，且温度不宜过高，最好控制在以内。5.求被测结正向压降随温度变化的灵敏度以为横坐标，为纵坐标，作曲线，其斜率就是。(注意横纵坐标)6.估算被测结材料的禁带宽度。根据 (4)实际计算时将斜率、温度 (注意单位为)及此时的值代入上式即可求得，禁带宽度。将实验所得的与公认值比较，求其误差。7.玻尔兹曼常数测量调温度附近，稳定3分钟不变，可进行测量。量程选择开关转到和挡(常用、)，从起(先把电位器调到零，如在结有低电势电荷，用一导线在输入端短路一下回零)，等间隔()选调，调一个,读对应值，并记录。连续测十几组数据。调整温度为附近重复以上测量分析比较测量结果。根据式(2)导出如下关系：从上可以看出呈线性关系。用作图法画出两个不同温度下的与的关系曲线，应为一条直线，求出其斜率，进而求得玻尔兹曼常数，并与公称值进行比较。5、实验数据及处理1. 测定曲线(1)实验数据如表1所示：表1 结温度特性测试实验数据表V（V）-0.010-0.020-0.030-0.040-0.050-0.060T()37.041.846.551.355.960.4V(V)-0.070-0.080-0.090-0.100-0.110-0.120T()64.468.573.578.382.887.2V(V)-0.130-0.140-0.150-0.160T()91.595.699.9104.0起始温度：Ts=23.9+273K,其中实验测试的条件为 (2)根据实验数据用matlab作出相应的拟合曲线(作图程序见附录A)如图1所示： 图1 结温度特性测试2.确定灵敏度根据灵敏度的定义，可知被测结正向压降随温度变化的灵敏度为曲线中拟合曲线的斜率，即有： 3.估算结材料的禁带宽度根据式(4)可知： (6)则算出禁带宽度：相对误差： 4.玻尔兹曼常数测量(1)30时表2 30.0时U-I实验数据表I(nA)20304050607080Ube(V)0.3550.3620.3670.3720.3760.3800.383I(nA)90100110120130140150Ube(V)0.3860.3890.3910.3930.3940.3970.398根据上述数据利用matlab绘制成相应的分析图(代码见附录B)，如图2所示。 (2)45时表2 45.0时U-I实验数据表I(nA)20304050607080Ube(V)0.3140.3210.3240.3310.3340.3380.341I(nA)90100110120130140150Ube(V)0.3440.3460.3480.3500.3520.3550.358此处实验数据以及图表的处理同上，不再赘述。(3)60时表2 60.0时U-I实验数据表I(nA)20304050607080Ube(V)0.2680.2760.2820.2870.2920.2950.299I(nA)90100110120130140150Ube(V)0.3020.3040.3070.3090.3110.3130.315此处实验数据以及图表的处理同上，不再赘述。分析讨论：根据实验得到了不同温度下的玻尔兹曼常数，跟实际值相比，误差较小，证明实验成功。另外实验的降温计数时，降温过慢需要借助风扇。