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      利用PN結(jié)測量硅材料的禁帶寬度

      2017-05-20 21:30黃樹來姜永超徐進(jìn)棟王娟劉瑞娟
      科技視界 2017年3期

      黃樹來 姜永超 徐進(jìn)棟 王娟 劉瑞娟

      【摘 要】PN結(jié)物理特性實驗是一個綜合了熱學(xué)與電學(xué)知識的物理實驗,通過測量不同溫度下結(jié)電壓的變化,得到PN結(jié)溫度傳感器的靈敏度。進(jìn)而可以推算出絕對零度下硅的禁帶寬度,分析了實驗結(jié)果誤差的主要來源。

      【關(guān)鍵詞】PN結(jié);測溫靈敏度;禁帶寬度

      1 原理

      半導(dǎo)體物理中,PN結(jié)的正向電流與電壓關(guān)系式為:

      I=I0[exp(eU1/kT)-1]

      其中I是正向電流,I0是反向飽和電流,在一定溫度下為常數(shù);T是熱力學(xué)溫度;e是電子的電量;U1為PN結(jié)正向壓降。由于在常溫(300K)下,kT/e≈0.026V,而PN結(jié)正向壓降約為十分之幾伏,則exp(eU1/kT)>>1,于是上式可以近似寫為:

      I=I0[exp(eU1/kT)]

      即,PN結(jié)正向電流隨正向電壓近似按指數(shù)規(guī)律變化。

      當(dāng)PN結(jié)中通一恒定的小電流(通常電流I=100μA)時,由半導(dǎo)體理論可得Ube(U1)與T的近似關(guān)系

      Ube=ST+Ug0

      式中為PN結(jié)溫度傳感器靈敏度。由Ug0可求出溫度為0K時半導(dǎo)體材料的近似禁帶寬度Eg0=qUg0。硅材料的Eg0約為1.205eV。

      2 實驗

      (1)按照圖1所示連接實驗線路。測溫電路如圖2所示,其中數(shù)字電壓表V2既作測溫電橋指零用,又可監(jiān)測PN結(jié)電流,保持電流I=100μA。

      (2)調(diào)節(jié)圖1中電源電壓,使電阻兩端電壓保持不變,即電流I=100μA。同時測量恒溫器的溫度。從室溫開始每隔5℃左右測一對Ube(即V1)與溫度T(℃)值,數(shù)據(jù)見表格1,求得Ube-T關(guān)系。

      (3)用最小二乘法對Ube-T關(guān)系進(jìn)行直線擬合,求出PN結(jié)測溫靈敏度S=-2.28mV/K,截距Ug0=1.2235V??赏频脺囟葹?K時硅材料禁帶寬度Eg0=1.2235eV。硅在絕對零度的禁帶寬度的公認(rèn)值為1.205eV,測量結(jié)果基本與之相吻合。產(chǎn)生誤差的主要原因是,PN結(jié)溫度傳感器的線性范圍大約在-50到150℃之間,在低溫下,非線性項不可以完全忽略,因此本實驗方法測得的硅的禁帶寬度是半定量的。

      3 結(jié)論

      根據(jù)PN結(jié)電壓與溫度的線性關(guān)系,半定量得到了PN結(jié)中硅材料的禁帶寬度,與公認(rèn)值比較接近。誤差主要是低溫下非線性項不能完全忽略而引起的,本實驗可作為一種測量硅的禁帶寬度的半定量近似方法來使用。

      【參考文獻(xiàn)】

      [1]姜永超,主編.大學(xué)物理實驗[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2015.

      [2]陳水橋.PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究和應(yīng)用[J].物理實驗,2000.

      [3]陸申龍,曹正東.低溫條件下半導(dǎo)體材料禁帶寬度的測量[J].大學(xué)物理,1996.

      [責(zé)任編輯:朱麗娜]

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