应用光伏学
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《应用光伏学》
实践报告
题 目 应用光伏学 专 业 光伏材料及应用 学生姓名 李生怀 准考证号 036811300243 指导教师 林丽君
2012 年 04 月
一、实验名称:PN结物理特性综合实验 二、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
三、实验原理:
1、Ic?Ube关系测定,并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数(Ube?U1)
1)在室温情况下,测量三极管发射极与基极之间电压U1和相应电压U2。U1的值约从0.30V至0.50V范围,每隔0.01V测一相应电压U2的数据,至U2达到饱和(U2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U1和U2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
U2?aexp?bU1?。求出相应的a和b值。
4)玻尔兹曼常数k。利用b?e/kT,把电子电量e作为已知值代入,求出k并
R1V1RTR2R43VV2RV2图3 图4
与玻尔兹曼常数公认值(k0?1.381?10?23)进行比较。
2、Ube?T关系测定,计算硅材料0K时近似禁带宽度Ego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
I?100?A。同时用电桥测量铂电阻RT的电阻值,得恒温器的实际温度。从室
温开始每隔5℃-10℃测一组Ube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U1和U2各对数据,以U1为自变量,U2作因变量,分别代入:(1)线性函数U2?aU1?b;(2)乘幂函数U2?aU1b;(3)指数函数U2?a?exp(bU1),求出各函数相应的a和b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U1分别代入三个基本函数,得到相应因变量的预期值U2*,并由此求出各函数拟合的标准差: ?????(Ui?1n2?U2*)2/n?? 用最小二乘法对Ube?T关系进行直线拟合,求出PN结测温灵敏度S及近似求得温度为0K时硅材料禁带宽度Ego。
四、结论: 1、数据记录
1)Ic?Ube关系测定。 ( 室温条件下:?1 =25.90℃,?2 =26.10℃,?=26.00℃)
?U1(V) U2(V) U1(V) U2(V) 0.310 0.073 0.380 1.094 0.320 0.104 0.390 1.575 0.330 0.160 0.400 2.348 0.340 0.230 0.410 3.495 0.350 0.337 0.420 5.151 0.360 0.499 0.430 7.528 0.370 0.733 0.440 11.325 2)电流I=100uA时,Ube?T关系测定。
RT/? 103.2 106.0 107.0 109.9 111.5 115.3 119.3 122.9 ?/0C 8.0 14.9 17.7 25.0 29.0 38.7 49.0 58.7 T/K 281.2 288.1 290.9 298.2 302.2 311.9 322.2 331.9 Ube/V0.644 0.647 0.631 0.615 0.605 0.584 0.563 0.553 123.5 126.3 129.3 131.9 60.0 67.0 74.9 81.2 333.2 340.2 348.1 354.2 0.531 0.519 0.501 0.495
2、数据处理
1)曲线拟合求经验公式,计算玻尔兹曼常数:
根据要求用最小二乘法处理数据,假设PN结电流和电压的关系满足
I?I0exp(eU/kT),所以先要对公式I?I0exp(eU/kT)进行线性化处理。
由于U2和I是线性关系,即I=A*U2,A可视为微小电流转换为电压的转换系数。首
先以U2替换I,公式变化为AU2?I0exp(eU1/kT)
两边取对数:lnU2?lnI0?eU1/kT-lnA, 令: lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b 上式变化为: y?a?bx
a?y?bx根据最小二乘法的计算公式:
b?xy?x?y r?x?(x)22xy?x?y(x2?x2)(y2?y2)
1n1n22x??xi, x??xi,
ni?1ni?1列表计算:(双击该表可见计算过程)
1k1ny??yi, xy??xy
ki?1ni?1n1234567891011121314b=U1U20.310.320.330.340.350.360.370.380.390.40.410.420.430.44平均值0.0730.1040.160.230.3370.4990.7331.0941.5752.3483.4955.1517.52811.32538.79688x20.31-2.6173-0.811360.09610.32-2.26336-0.724280.10240.33-1.83258-0.604750.10890.34-1.46968-0.499690.11560.35-1.08767-0.380690.12250.36-0.69515-0.250250.12960.37-0.31061-0.114930.13690.380.0898410.0341390.14440.390.4542550.177160.15210.40.8535640.3414260.160.411.2513330.5130470.16810.421.6391910.688460.17640.432.0186290.8680110.18490.442.4270131.0678860.19360.375-0.110180.0217270.14225a=-14.659r=xyx?yy26.8502385.1228183.3583552.1599471.1830310.4832320.0964780.0080710.2063480.7285711.5658352.6869474.0748655.8903912.4582230.999972 由此可知,相关系数r=0.99972,指数拟合的很好,也就说明PN结扩散电流-电压关系遵循指
数分布规律。计算玻尔兹曼常数,由表中数据得
e/k?bT?38.79?(273.15?26.00)?1.160?104CK/J
e1.602?10?19-23??1.38?10J/K 则:k测?4e/k1.160?102)求PN结温度传感器的灵敏度S,0K时硅材料禁带宽度Ego。
用作图法对Ube?T数据进行处理:(图省略)所画的直线的斜率,即PN结作为温度传感器时的灵敏度s??2.30mV/K,表明PN结是负温度系数的。截距Ugo?1.30V(0K温度); 则Ego?eU?1.30电子伏特。
3、实验结果
1、测量值k测?1.38?10-23J/K 与公认值k0?1.381?10?23J/K相当一致。
实验结果:
?k测=1.38?10-23J/K? k测?k0??100%?0.08%?A=k0?
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