PN结的伏安特性与温度特性测量
半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。使用本实验的仪器用物理实验方法，测量PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。本实验的仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN结结电压Ube与热力学温度T关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K时硅材料的禁带宽度。 【实验目的】
1、 在室温时，测量PN结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关
系遵循指数分布规律。
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I-V变换器测量10-6A至10-8A的弱电流。 4、 测量PN结结电压Ube与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。 5、 计算在0K时半导体（硅）材料的禁带宽度。
6、 学会用铂电阻测量温度的实验方法和直流电桥测电阻的方法。 【实验仪器】
FD-PN-4型PN结物理特性综合实验仪（如下图）,TIP31c型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手枪式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。
【实验原理】
1、PN结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN结的正向电流-电压关系满足：
I?I0eeU/KT?1 (1)
式(1)中I是通过PN结的正向电流，I0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T是热力学温度，e是电子的电荷量，U为PN结正向压降。由于在常温(300K)时，kT/e≈0.026v ，而PN结正向压降约为十分之几伏，则eeU/KT>>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：
I?I0eeU/KT (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I-U关系值，则利用(1)式可以求出e/kT。在测得温度T后，就可以得到e/k常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中，二极管的正向I-U关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数k往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流，还有其它电流。一般它包括三个部分：
[1]扩散电流，它严格遵循(2)式； [2]耗尽层复合电流，它正比于eeU/2KT；
[3]表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于eeU/mKT,一般m>2。
因此，为了验证(2)式及求出准确的e/k常数，不宜采用硅二极管，而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，所以此时集电极电流与结电压将满足(2)式。实验线路如图1所示。
??1MeTIP31b723+15V6TIP31bce1.5V100ΩV1c-+LF35648765-15VV2LF3561234 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
过去实验中10-6A-10-11A量级弱电流采用光点反射式检流计测量，该仪器灵敏度较高约10-9A/分度，但有许多不足之处。如十分怕震，挂丝易断；使用时稍有不慎，光标易偏出满度，瞬间过载引起引丝疲劳变形产生不回零点及指示差变大。使用和维修极不方便。近年来，集成电路与数字化显示技术越来越普及。高输入阻抗运算放大器性能优良，价格低廉，用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号，具有输入阻抗低，电流灵敏度高。温漂小、线性好、设计制作简单、结构牢靠等优点，因而被广泛应用于物理测量中。
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Zr为电流-电压变换器等效输入阻抗。由图2可，运算放大器的输入电压U0为：
U0=-K0Ui (3)
Rf-+IsKoU0IsZrUi 图2 电流－电压变换器
式(3)中Ui为输入电压，K0为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻
pn结的伏安特性与温度特性测量(精)
