大学物理实验报告23——pn结温度传感器特性1

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1、天津大学物理实验报告姓名：专业：班级：学号：实验日期：实验教室：指导教师：【实验名称】PN结物理特性综合实验【实验目的】1.在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2.在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3.学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4.测量PN结电压与温度关系，求出该PN结温度传感器的灵敏度5.计算在0K温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度【实验仪器】半导体PN结的物理特性实验仪资产编号：××××，型号：×××（必须填写）【实验原理】1．PN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

2、：(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。图1　PN结扩散电源与结电压关系测量线路图2、弱电流测量图2　电流－电压变换器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。运算放大器的输入电压为：(3)式(3)中为输入电压，为运算放大器的开环电压增益，即图

3、2中电阻时的电压增益（称反馈电阻）。因而有：(4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗为(5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流与输出电压之间的关系式，即：(6)只要测得输出电压和已知值，即可求得值。3、PN结的结电压与热力学温度关系测量。当PN结通过恒定小电流（通常），由半导体理论可得与的近似关系：(7)式中为PN结温度传感器灵敏度。由可求出温度0时半导体材料的近似禁带宽度。硅材料的约为1.20。【实验内容】（一）关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（）1、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压和相应电压。的值约

4、从至范围，每隔测一相应电压的数据，至达到饱和(变化较小或基本不变)。在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度，取温度平均值。2、改变干井恒温器温度，待PN结与油温一致时，重复测量和的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数。求出相应的和值。图3图44、玻尔兹曼常数。利用，把电子电量作为已知值代入，求出并与玻尔兹曼常数公认值（）进行比较。（二）关系测定，计算硅材料0时近似禁带宽度值。1、通过调节图3电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流。同时用电桥测量铂电阻的电阻值，得恒温

5、器的实际温度。从室温开始每隔5℃－10℃测一组值，记录。2、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。对已测得的和各对数据，以为自变量，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分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值,并由此求出各函数拟合的标准差：用最小二乘法对关系进行直

6、线拟合，求出PN结测温灵敏度及近似求得温度为0时硅材料禁带宽度。【注意事项】1.数据处理时，对于扩散电流太小(起始状态)以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(2)。2.必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录和数据。3.本实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。4.仪器具有短路自动保护，一般情况集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。【数据记录】（数据仅供参考）1、关系测定。室温条件下:=25.90℃，=26.10℃，=26.00℃

7、0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.3700.0730.1040.1600.2300.3370.4990.7330.3800.3900.4000.4100.4200.4300.4401.0941.5752.3483.4955.1517.52811.3252、电流I＝100时，关系测定。103.2106.0107.0109.9111.5115.3119.3122.9123.5126.3129.3131.98.014.917.725.029.038.749.058.760.067.074.981.2281.2288.12

8、90.9298.2302.2311.9322.2331.9333.2340.2348.1354.20.6440.6470.6310.6150.6050