应用光伏学

《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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