一種測量pn結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀的製作方法

2023-06-17 10:53:46

專利名稱：：一種測量pn結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀的製作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一種波爾茲曼常數測量
技術領域：
，具體一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀。
背景技術：
：半導體PN結的電流與電壓關係以及溫度特性曲線是半導體器件的基本特徵之一。通過研究PN結的擴散電流與結電壓的關係，可以驗證它們遵循波爾茲曼分布規律，從而較精確地求出波爾茲曼常數。由半導體物理學可知，PN結的正向電流_電壓關係滿足I=I0*[exp(eUbe/kT)_l](1-1)(1-1)式中，I是通過PN結的正向電流即擴散電流，10是不隨電壓變化的常數，T是熱力學溫度，e是電子的電量，U為PN結正向電壓降。由於在常溫(T300K)時，kT/e^0.026V，而PN結正向電壓降約為十分之幾伏，則exp(eU/kT)>>1，於是有I=I0*exp(eUbe/kT)(1-2)即PN結正向電流隨正向電壓按指數規律變化。若測得PN結的IU關係，利用(1-1)式求出e/kT，再測得溫度T，代入電子電量e，即可求得玻爾茲曼常數k。由於擴散電流與結電壓受PN結的溫度影響很大，並且擴散電流是弱信號只有10_610_8A，所以要準確測量擴散電流與結電壓，以及較精確地求得波爾茲曼常數必須首先準確測量PN結的溫度和弱電流。以往實驗中一般是把PN結置於冰水混合物中進行實驗，這種實驗溫度條件不能變化。近年來部分儀器通過電子系統進行溫度測量和控制，但方法都是以環境溫度來代替PN結晶片溫度，PN結真實溫度無法獲知和控制，測量電流的自熱效應更是無法消除，存在一定的系統誤差，影響測量效果，同時由於系統質量和熱容量較大，溫度變化緩慢，一個升降溫周期數十分鐘，實驗時很多時間消耗在無謂的等待上。對於弱電流的測量，過去常用光點反射式檢流計，它的靈敏度約10_9A/分度。但它有許多不足之處，例如，掛絲易斷，十分怕震；使用時，稍有不慎，光標易偏出滿度；瞬間過載引起引絲疲勞變形，產生不回零及指示偏差較大，使用和維修極不方便。
實用新型內容本實用新型目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種具有自動校正功能的測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀。此實驗裝置能夠準確地反映PN結的電流與電壓關係和溫度特性曲線，其自動校正功能能有效減小系統誤差對實驗數據的影響。本實用新型為實現上述目的，採用如下技術方案本實用新型一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於由結電壓調整電位器、結溫度調整電位器、單片機、液晶顯示屏、可調電壓源、精密電阻、半導體基片、運算放大器、反饋電阻、模式選擇開關、零點校正獨立開關和數字溫度傳感器所組成，其中半導體基片由加熱器、被測PN結和溫度傳感器構成，結電壓調整電位器、結溫度調整電位器、溫度傳感器、模式選擇開關、零點校正獨立開關和數字溫度傳感器的輸出端分別接單片機的輸入端，單片機的輸出端分別接液晶顯示屏和加熱器的輸入端，可調電壓源串接精密電阻後接被測PN結的發射極，被測PN結的集電極分別接運算放大器的反向輸入端和反饋電阻的一端，運算放大器的輸出端分別接反饋電阻的另一端和單片機的輸入端，運算放大器的正向輸入端、可調電壓源的接地端和被測PN結的基極分別接地，可調電壓源的輸出端接單片機的電源接口。本實用新型實現了快速、便捷的自動校正和測量過程，實現了不同測量條件下的精確測量，並在最大限度內減小了系統誤差。因此，在科學研究，教學活動，工業生產等方面有廣泛的應用前景。圖1是本實用新型PN結特性曲線及波爾茲曼常數測量裝置的示意圖。標號含義如下(1)結電壓調整電位器(2)結溫度調整電位器(3)單片機AVR-ATMEGA16(4)液晶顯示屏240*64(5)可調電壓源(6)100Q精密電阻(7)電加熱器(8)被測PN結(9)溫度傳感器(10)半導體基片(CA3046)(11)集成放大器0P-07(12)1K，10K，100K，1M精密電阻(13)模式選擇開關(14)零點校正獨立開關(15)數字溫度傳感器DS18B20①Ibe測量點②Ube測量點③溫度控制④溫度測量點⑤Uc測量點圖2是通用NPN三極體陣列特殊使用示意圖。標號含義如下(16)普通色環電阻20KQ(17)普通色環電阻100KQ(18)普通色環電阻10Q(19)通用NPN三極體陣列CA3046⑥加熱電流⑦溫度反饋1⑧溫度反饋2⑨PN結Ube電壓測量點⑩PN結擴散電流Ic測量點NPN三極體NPN三極體NPN三極體NPN三極體NPN三極體圖3是UbeIbe伏安特性曲線圖。圖4是多溫度UbeIbe伏安特性曲線圖。圖5是TUbe溫度曲線圖。圖6是In(Uc)隨Ube的變化曲線圖。具體實施方式以下結合附圖對實用新型的技術方案進行詳細說明如圖1所示，本實用新型一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於由結電壓調整電位器1、結溫度調整電位器2、單片機3、液晶顯示屏4、可調電壓源5、精密電阻6、半導體基片10、運算放大器11、反饋電阻12、模式選擇開關13、零點校正獨立開關14和數字溫度傳感器15所組成，其中半導體基片10由加熱器7、被測PN結8和溫度傳感器9構成，結電壓調整電位器1、結溫度調整電位器2、溫度傳感器9、模式選擇開關13、零點校正獨立開關14和數字溫度傳感器15的輸出端分別接單片機3的輸入端，單片機3的輸出端分別接液晶顯示屏4和加熱器7的輸入端，可調電壓源(5)串接精密電阻6後接被測PN結8的發射極，被測PN結8的集電極分別接運算放大器11的反向輸入端和反饋電阻12的一端，運算放大器11的輸出端分別接反饋電阻12的另一端和單片機3的輸入端，運算放大器11的正向輸入端、可調電壓源5的接地端和被測PN結8的基極分別接地，可調電壓源5的輸出端接單片機3的電源接口。如圖2所示，所述的一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於所述半導體基片10為通用NPN三極體陣列CA3406，包括5個NPN型三極體和三個電阻，其中NPN型三極體和NPN型三極體組成了電加熱器7，NPN型三極體和NPN型三極體@各為一個溫度傳感器9，NPN型三極體是被測PN結8，NPN型三極體的基極分別接NPN型三極體的基極和單片機3的輸出端，NPN型三極體的發射極分別接第三電阻18的一端和NPN型三極體的發射極，NPN型三極體的集電極分別接第一電阻16的一端、第二電阻17的一端、NPN型三極體的集電極和可調電壓源5的輸出端，第一電阻16的另一端分別接NPN型三極體的基極和單片機3的輸入端，第三電阻18的另一端分別與NPN型三極體的發射極和集電極、NPN型三極體的發射極和集電極、NPN型三極體的基極連接接地，NPN型三極體的發射極和集電極分別接運算放大器11的反向輸入端和反饋電阻12的一端，NPN型三極體@的基極分別接第二電阻17的另一端和單片機3的輸入端。單片機3為AVR單片機-ATMEGA16，液晶顯示屏4為240*64點陣液晶顯示屏，數字溫度傳感器15型號為DS18B20所述的結電壓調整電位器(1)和結溫度調整電位器⑵都為量程03.7KQ的四腳電位器。所述的一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於所述的集成運算放大器(11)為型號為0P07的高輸入阻抗運算放大器。所述的一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於所述的精密電阻(6)是精度為1%。的100Q精密金屬膜電阻。所述的一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於所述的反饋電阻(12)是精度為1%。的1KQ或10KQ或100KQ或1MQ精密金屬膜電阻。上述所說的反饋電阻(圖1(12))是精度為1%。的1KQ、10KQ、100KQ、1MQ精密金屬膜電阻，實驗中由單片機單片機_ATMEGA16(圖1(3))自動選擇。上述所說的數字溫度傳感器DS18B20(圖1(15))是為零點校正提供環境溫度的傳感器。上述所說的ATMEGA16單片機(圖1(3))是Atmel公司出品的8位單片機，在上述裝置中為數據測量與處理系統，包括各種數據的測量、運算處理以及提供人機互動界面。其需要測量的數據包括如下a、結電壓調整電位器(圖1(1))；b、結溫度調整電位器(圖1(2))；c、Ibe測量(圖1①)；d、Ube測量(圖1②)也即Ube電壓測量點(圖2⑨)；5[0052]e、溫度測量(圖1④)也即溫度反饋1(圖2⑦)、溫度反饋2(圖2⑧)；f、Uc測量(圖1⑤)；其需要控制的數據包括如下a、溫度控制(圖1③)也即加熱電流(圖2⑥)；b、Uc測量量程選擇，即反饋電阻(圖1(12))；c、可調電壓源(圖1(5))；其需要處理的數據包括如下a、對結電壓調整電位器(圖1(1))AD採樣，以精確控制可調電壓源(圖1(5))；b、對結溫度調整電位器(圖1(2))AD採樣，以精確控制加熱電流(圖2⑥)；c、對Uc測量點(圖1⑤)進行AD採樣，根據結果與設定的上下限選擇合適的反饋電阻(圖1(12))。嵌入式單片機系統同時進行各實驗數據的測量和處理工作，在點陣式液晶顯示器(圖1(4))顯示的測量數據有晶片溫度T，PN結電壓Ube(圖1②)、PN結電流Ibe(圖1①)和集成放大器0P07(圖1(11))的輸出電壓Uc(圖1)。測溫傳感器即溫度反饋1(圖2⑦)或者溫度反饋2(圖2⑧)與被測PN結(圖1(8))位於同一半導體晶片，消除了以環境溫度代替PN結真實溫度的系統誤差以及測量電流自熱效應的誤差；試驗儀內的嵌入式單片機系統對晶片CA3406(圖2(19))溫度實現採樣和控制，由於晶片本身質量很小僅毫克量級，熱容量很小，因此對溫度的控制非常迅速，溫度控制達每秒數百次，全程升溫並穩定只要十幾秒，全程降溫並穩定也只要12分鐘，大大減少了無謂的升降溫時間，提高了測量效率。對於弱電流IC(圖2⑩)的測量，是經過一個電流——電壓轉換器(圖1(11))，測得輸出電壓Uc(圖1⑤)，再由不同的反饋電阻Rf(圖1(12))，計算得到不同量程下的電流值IC=Uc/Rf。由公式(1-2)進而可以得到運算放大器的輸出電壓Uc=Ic*Rf=Rf*I0exp(eUbe/kT)，整理得ln(Uc)=(e/kT)Ube+lnUcO(2-1)公式(2-1)即本實驗的實驗應用公式，它表示在PN結溫度T已知為恆定時，InUc與Ube為線性關係，以Ube為橫坐標、InUc為縱坐標則直線斜率為e/kT，在坐標紙上畫出UbeInUc關係直線，就可以獲得斜率e/KT，代入已知的溫度T和電子電量e，就可以求得玻爾茲曼常數k。對於PN結電流Ibe(圖1①)的測量，其先由單片機ATMEGA16(圖1(3))測量100Q精密電阻(圖1(6))上的電壓值UR』，則Ibe=UR』/100.0。考慮到系統存在零點漂移，則Ibe=(UR-UR0)/100.0，UR0為零點校正時的測量值。對於PN溫度測量(圖1④)，可以選擇溫度反饋1(圖2⑦)也可選擇溫度反饋2(圖2⑧)作為測量點。只是他們的負溫度係數可能不一致，但都在-1.85mV/°C-2.lmV/°C範圍內，需要多次實驗求得。其求解方法如下a、打開電源，將模式選擇開關(圖1(13))撥到波爾茲曼常數測量實驗檔，此時240*64點陣液晶顯示屏(圖1(4))應顯示三組數據PN結溫度T、Ube、Uc；b、將此三組數據記錄下來，並計算出ln(Uc)值；c、用MicrosoftOfficeEXCEL畫出ln(Uc)隨Ube的變化曲線，並添加線性趨勢線，顯示趨勢線公式，可得斜率即為e/kT，帶入e=1.602X10-19C和k=1.381*10-23(JK-1)求得T，並與顯示的溫度值對比進行修正；d、調整PN結溫度T，重複c步驟，將不同溫度下的修正值求平均值即為負溫度係數；對PN結恆溫控制是由外部硬體自動實現。單片機(圖1(3))採樣結溫度調整電位器(圖1(2))的電壓值，據此輸出相應佔空比的PWM波，經低通濾波器轉化為模擬電壓值輸入至集成比較器LM358的反向端，溫度反饋1(圖2⑦)或者溫度反饋2(圖2⑧)接入LM358的同相端，通過此比較器達到恆溫控制的目的。實施例1PN結伏安特性曲線測量步驟a、打開電源，將模式選擇開關(圖1(13))撥到PN結特性曲線測量實驗檔。調整PN結溫度調整電位器(圖1(2))，使PN組件基片溫度為30.0°C左右；b、在溫度穩定以後，調整PN結電壓調整電位器(圖1(1))改變Ube，記下該溫度下UbeIbe數據對，把數據記錄在表格中(表1)；要求數據>10對，Ibe最大值小於5毫安，數據在特性曲線上分布均勻合理；c、用MicrosoftOfficeEXCEL畫出Ibe隨Ube的變化曲線(圖3)。表1tableseeoriginaldocumentpage7實施例2PN結溫度特性曲線測量步驟1.打開電源，將模式選擇開關(圖1(13))撥到PN結特性曲線測量實驗檔。調整PN結溫度調整電位器(圖1(2))，分別選用5個不同溫度進行測量，其中一個溫度可以取自實施例1，溫度區間為冬季20.0°C60.0°C，夏季40.0°C80.0°C，溫度間隔5.010.0°C；2.在每個溫度穩定以後，調整PN結電壓調整電位器(圖1(1))，改變Ube，記下該溫度下UbeIbe的數據對，把每個溫度下測得的數據對記錄在相應數據表格中；要求數據>510對，Ube變化區間為0.300v左右，並使Ibe變化區間在0.10mA5.00mA之間；3.根據步驟2的數據在MicrosoftOfficeEXCEL上作出5個不同溫度下的PN結伏安特性曲線(圖4)；4.在步驟3所做的圖上畫一條Ibe=3.000毫安的水平直線，與5條PN結伏安特性曲線相交形成5個交點，根據這些交點坐標以T為橫坐標做TUbe溫度曲線(圖5)，求出TUbe溫度曲線斜率就是PN結溫度係數AUbe/AT。如圖5添加的趨勢線可以得出，此PN結的溫度係數為-2.019mV/°C。實施例3波爾茲曼常數測量步驟1.開機預熱，將模式選擇開關(圖1(13))撥到波爾茲曼常數測量實驗檔，單片機自動進行溫度校正和零點校正；2.調整結溫度調整電位器(圖1⑵)，使PN結溫度為40.0°C附近(由於是步進控制溫度，不必正好是40.0°C)，觀察IXD液晶屏(圖1(4))顯示的溫度值，等其穩定3分鐘不變即可進行下一步實驗。3.調整PN結電壓調整電位器(圖1(1))，改變Ube，Ube變化區間約0.25V，記下IXD顯示器顯示的Ube和Uc，也可以用萬用表測量並記下Ube和Uc。將Ube、Uc以及InUc記錄於表格中(如表2)。4.調整結溫度調整電位器(圖1⑵)，使PN結溫度為50.0°C附近(由於是步進控制溫度，不必正好是50.0°C)重複以上測量並分析比較測量結果。5.用MicrosoftOfficeEXCEL畫出ln(Uc)隨Ube的變化曲線(圖6)，並添加線性趨勢線，顯示趨勢線公式，可得斜率即為e/kT，帶入e=1.602X10-19C和PN結溫度T，求得波爾茲曼常數K。如圖6所示，得到斜率6/1^=35.9871，進而求得1^=1.38226￡-23，國際公認波爾茲曼常數k=1.38065E-23，得到相對誤差E=11.38226E-23-1.38065E-23|/l.38065E-23=1.16%。表2tableseeoriginaldocumentpage8權利要求一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於由結電壓調整電位器(1)、結溫度調整電位器(2)、單片機(3)、液晶顯示屏(4)、可調電壓源(5)、精密電阻(6)、半導體基片(10)、運算放大器(11)、反饋電阻(12)、模式選擇開關(13)、零點校正獨立開關(14)和數字溫度傳感器(15)所組成，其中半導體基片(10)由加熱器(7)、被測PN結(8)和溫度傳感器(9)構成，結電壓調整電位器(1)、結溫度調整電位器(2)、溫度傳感器(9)、模式選擇開關(13)、零點校正獨立開關(14)和數字溫度傳感器(15)的輸出端分別接單片機(3)的輸入端，單片機(3)的輸出端分別接液晶顯示屏(4)和加熱器(7)的輸入端，可調電壓源(5)串接精密電阻(6)後接被測PN結(8)的發射極，被測PN結(8)的集電極分別接運算放大器(11)的反向輸入端和反饋電阻(12)的一端，運算放大器(11)的輸出端分別接反饋電阻(12)的另一端和單片機(3)的輸入端，運算放大器(11)的正向輸入端、可調電壓源(5)的接地端和被測PN結(8)的基極分別接地，可調電壓源(5)的輸出端接單片機(3)的電源接口。2.根據權利要求1所述的一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於所述半導體基片(10)為通用NPN三極體陣列CA3406，包括5個NPN型三極體和三個電阻，其中NPN型三極體和NPN型三極體組成了電加熱器(7)，NPN型三極體@和NPN型三極體@各為一個溫度傳感器(9)，NPN型三極體是被測PN結(8)，NPN型三極體的基極分別接NPN型三極體的基極和單片機(3)的輸出端，NPN型三極體的發射極分別接第三電阻(18)的一端和NPN型三極體的發射極，NPN型三極體的集電極分別接第一電阻(16)的一端、第二電阻(17)的一端、NPN型三極體的集電極和可調電壓源(5)的輸出端，第一電阻(16)的另一端分別接NPN型三極體的基極單片機(3)的輸入端，第三電阻(18)的另一端分別與NPN型三極體的發射極和集電極、NPN型三極體@的發射極和集電極、NPN型三極體的基極連接接地，NPN型三極體的發射極和集電極分別接運算放大器(11)的反向輸入端和反饋電阻(12)的一端，NPN型三極體@的基極分別接第二電阻(17)的另一端和單片機(3)的輸入端。3.根據權利要求1所述的一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於所述的結電壓調整電位器⑴和結溫度調整電位器⑵都為量程03.7KQ的四腳電位器。4.根據權利要求1所述的一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於所述的集成運算放大器(11)為型號為0P07的高輸入阻抗運算放大器。5.根據權利要求1所述的一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於所述的精密電阻(6)是精度為1%。的100Q精密金屬膜電阻。6.根據權利要求1所述的一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，其特徵在於所述的反饋電阻(12)是精度為1%。的1KQ或10KQ或100KQ或1MQ精密金屬膜電阻。專利摘要本實用新型公布了一種測量PN結特性曲線及波爾茲曼常數的實驗儀，由結電壓調整電位器、結溫度調整電位器、單片機、液晶顯示屏、可調電壓源、精密電阻、半導體基片、運算放大器、反饋電阻、模式選擇開關、零點校正獨立開關和數字溫度傳感器所組成，其中半導體基片由加熱器、被測PN結和溫度傳感器構成。本實用新型實現了快速、便捷的自動校正和測量過程，實現了不同測量條件下的精確測量，並在最大限度內減小了系統誤差。文檔編號G01R31/26GK201583626SQ20092018040公開日2010年9月15日申請日期2009年11月9日優先權日2009年11月9日發明者夏洪海,宋建平,袁伶華,雷撼申請人:河海大學