[实用新型]一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种波尔兹曼常数测量技术领域，具体一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪。

背景技术

半导体PN结的电流与电压关系以及温度特性曲线是半导体器件的基本特征之一。通过研究PN结的扩散电流与结电压的关系，可以验证它们遵循波尔兹曼分布规律，从而较精确地求出波尔兹曼常数。

由半导体物理学可知，PN结的正向电流-电压关系满足

I＝I0*[exp(eUbe/kT)-1]    (1-1)

(1-1)式中，I是通过PN结的正向电流即扩散电流，I0是不随电压变化的常数，T是热力学温度，e是电子的电量，U为PN结正向电压降。由于在常温(T≈300K)时，kT/e≈0.026V，而PN结正向电压降约为十分之几伏，则exp(eU/kT)＞＞1，于是有：

I＝I0*exp(eUbe/kT)    (1-2)

即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN结的I～U关系，利用(1-1)式求出e/kT，再测得温度T，代入电子电量e，即可求得玻尔兹曼常数k。

由于扩散电流与结电压受PN结的温度影响很大，并且扩散电流是弱信号只有10^-6～10^-8A，所以要准确测量扩散电流与结电压，以及较精确地求得波尔兹曼常数必须首先准确测量PN结的温度和弱电流。以往实验中一般是把PN结置于冰水混合物中进行实验，这种实验温度条件不能变化。近年来部分仪器通过电子系统进行温度测量和控制，但方法都是以环境温度来代替PN结芯片温度，PN结真实温度无法获知和控制，测量电流的自热效应更是无法消除，存在一定的系统误差，影响测量效果，同时由于系统质量和热容量较大，温度变化缓慢，一个升降温周期数十分钟，实验时很多时间消耗在无谓的等待上。对于弱电流的测量，过去常用光点反射式检流计，它的灵敏度约10^-9A/分度。但它有许多不足之处，例如，挂丝易断，十分怕震；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，产生不回零及指示偏差较大，使用和维修极不方便。

实用新型内容

本实用新型目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种具有自动校正功能的测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪。此实验装置能够准确地反映PN结的电流与电压关系和温度特性曲线，其自动校正功能能有效减小系统误差对实验数据的影响。

本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：

本实用新型一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于由结电压调整电位器、结温度调整电位器、单片机、液晶显示屏、可调电压源、精密电阻、半导体基片、运算放大器、反馈电阻、模式选择开关、零点校正独立开关和数字温度传感器所组成，其中半导体基片由加热器、被测PN结和温度传感器构成，结电压调整电位器、结温度调整电位器、温度传感器、模式选择开关、零点校正独立开关和数字温度传感器的输出端分别接单片机的输入端，单片机的输出端分别接液晶显示屏和加热器的输入端，可调电压源串接精密电阻后接被测PN结的发射极，被测PN结的集电极分别接运算放大器的反向输入端和反馈电阻的一端，运算放大器的输出端分别接反馈电阻的另一端和单片机的输入端，运算放大器的正向输入端、可调电压源的接地端和被测PN结的基极分别接地，可调电压源的输出端接单片机的电源接口。

本实用新型实现了快速、便捷的自动校正和测量过程，实现了不同测量条件下的精确测量，并在最大限度内减小了系统误差。因此，在科学研究，教学活动，工业生产等方面有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型PN结特性曲线及波尔兹曼常数测量装置的示意图。标号含义如下：

(1)  结电压调整电位器              (2)  结温度调整电位器

(3)  单片机AVR-ATMEGA16            (4)  液晶显示屏240*64

(5)  可调电压源                    (6)  100Ω精密电阻

(7)  电加热器                      (8)  被测PN结

(9)  温度传感器                    (10) 半导体基片(CA3046)

(11) 集成放大器OP-07               (12) 1K，10K，100K，1M精密电阻

(13) 模式选择开关                  (14) 零点校正独立开关