专利名称：：一种测量pn结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪的制作方法
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)_l](1-1)(1-1)式中，I是通过PN结的正向电流即扩散电流，10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(T300K)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IU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_610_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。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)100Q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0P-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(15)数字温度传感器DS18B20①Ibe测量点②Ube测量点③温度控制④温度测量点⑤Uc测量点图2是通用NPN三极管阵列特殊使用示意图。标号含义如下(16)普通色环电阻20KQ(17)普通色环电阻100KQ(18)普通色环电阻10Q(19)通用NPN三极管阵列CA3046⑥加热电流⑦温度反馈1⑧温度反馈2⑨PN结Ube电压测量点⑩PN结扩散电流Ic测量点NPN三极管NPN三极管NPN三极管NPN三极管NPN三极管图3是UbeIbe伏安特性曲线图。图4是多温度UbeIbe伏安特性曲线图。图5是TUbe温度曲线图。图6是In(Uc)随Ube的变化曲线图。具体实施方式以下结合附图对实用新型的技术方案进行详细说明如图1所示，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1、结温度调整电位器2、单片机3、液晶显示屏4、可调电压源5、精密电阻6、半导体基片10、运算放大器11、反馈电阻12、模式选择开关13、零点校正独立开关14和数字温度传感器15所组成，其中半导体基片10由加热器7、被测PN结8和温度传感器9构成，结电压调整电位器1、结温度调整电位器2、温度传感器9、模式选择开关13、零点校正独立开关14和数字温度传感器15的输出端分别接单片机3的输入端，单片机3的输出端分别接液晶显示屏4和加热器7的输入端，可调电压源(5)串接精密电阻6后接被测PN结8的发射极，被测PN结8的集电极分别接运算放大器11的反向输入端和反馈电阻12的一端，运算放大器11的输出端分别接反馈电阻12的另一端和单片机3的输入端，运算放大器11的正向输入端、可调电压源5的接地端和被测PN结8的基极分别接地，可调电压源5的输出端接单片机3的电源接口。如图2所示，所述的一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于所述半导体基片10为通用NPN三极管阵列CA3406，包括5个NPN型三极管和三个电阻，其中NPN型三极管和NPN型三极管组成了电加热器7，NPN型三极管和NPN型三极管@各为一个温度传感器9，NPN型三极管是被测PN结8，NPN型三极管的基极分别接NPN型三极管的基极和单片机3的输出端，NPN型三极管的发射极分别接第三电阻18的一端和NPN型三极管的发射极，NPN型三极管的集电极分别接第一电阻16的一端、第二电阻17的一端、NPN型三极管的集电极和可调电压源5的输出端，第一电阻16的另一端分别接NPN型三极管的基极和单片机3的输入端，第三电阻18的另一端分别与NPN型三极管的发射极和集电极、NPN型三极管的发射极和集电极、NPN型三极管的基极连接接地，NPN型三极管的发射极和集电极分别接运算放大器11的反向输入端和反馈电阻12的一端，NPN型三极管@的基极分别接第二电阻17的另一端和单片机3的输入端。单片机3为AVR单片机-ATMEGA16，液晶显示屏4为240*64点阵液晶显示屏，数字温度传感器15型号为DS18B20所述的结电压调整电位器(1)和结温度调整电位器⑵都为量程03.7KQ的四脚电位器。所述的一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于所述的集成运算放大器(11)为型号为0P07的高输入阻抗运算放大器。所述的一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于所述的精密电阻(6)是精度为1%。的100Q精密金属膜电阻。所述的一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于所述的反馈电阻(12)是精度为1%。的1KQ或10KQ或100KQ或1MQ精密金属膜电阻。上述所说的反馈电阻(图1(12))是精度为1%。的1KQ、10KQ、100KQ、1MQ精密金属膜电阻，实验中由单片机单片机_ATMEGA16(图1(3))自动选择。上述所说的数字温度传感器DS18B20(图1(15))是为零点校正提供环境温度的传感器。上述所说的ATMEGA16单片机(图1(3))是Atmel公司出品的8位单片机，在上述装置中为数据测量与处理系统，包括各种数据的测量、运算处理以及提供人机互动界面。其需要测量的数据包括如下a、结电压调整电位器(图1(1))；b、结温度调整电位器(图1(2))；c、Ibe测量(图1①)；d、Ube测量(图1②)也即Ube电压测量点(图2⑨)；5[0052]e、温度测量(图1④)也即温度反馈1(图2⑦)、温度反馈2(图2⑧)；f、Uc测量(图1⑤)；其需要控制的数据包括如下a、温度控制(图1③)也即加热电流(图2⑥)；b、Uc测量量程选择，即反馈电阻(图1(12))；c、可调电压源(图1(5))；其需要处理的数据包括如下a、对结电压调整电位器(图1(1))AD采样，以精确控制可调电压源(图1(5))；b、对结温度调整电位器(图1(2))AD采样，以精确控制加热电流(图2⑥)；c、对Uc测量点(图1⑤)进行AD采样，根据结果与设定的上下限选择合适的反馈电阻(图1(12))。嵌入式单片机系统同时进行各实验数据的测量和处理工作，在点阵式液晶显示器(图1(4))显示的测量数据有芯片温度T，PN结电压Ube(图1②)、PN结电流Ibe(图1①)和集成放大器0P07(图1(11))的输出电压Uc(图1)。测温传感器即温度反馈1(图2⑦)或者温度反馈2(图2⑧)与被测PN结(图1(8))位于同一半导体晶片，消除了以环境温度代替PN结真实温度的系统误差以及测量电流自热效应的误差；试验仪内的嵌入式单片机系统对芯片CA3406(图2(19))温度实现采样和控制，由于芯片本身质量很小仅毫克量级，热容量很小，因此对温度的控制非常迅速，温度控制达每秒数百次，全程升温并稳定只要十几秒，全程降温并稳定也只要12分钟，大大减少了无谓的升降温时间，提高了测量效率。对于弱电流IC(图2⑩)的测量，是经过一个电流——电压转换器(图1(11))，测得输出电压Uc(图1⑤)，再由不同的反馈电阻Rf(图1(12))，计算得到不同量程下的电流值IC=Uc/Rf。由公式(1-2)进而可以得到运算放大器的输出电压Uc=Ic*Rf=Rf*I0exp(eUbe/kT)，整理得ln(Uc)=(e/kT)Ube+lnUcO(2-1)公式(2-1)即本实验的实验应用公式，它表示在PN结温度T已知为恒定时，InUc与Ube为线性关系，以Ube为横坐标、InUc为纵坐标则直线斜率为e/kT，在坐标纸上画出UbeInUc关系直线，就可以获得斜率e/KT，代入已知的温度T和电子电量e，就可以求得玻尔兹曼常数k。对于PN结电流Ibe(图1①)的测量，其先由单片机ATMEGA16(图1(3))测量100Q精密电阻(图1(6))上的电压值UR’，则Ibe=UR’/100.0。考虑到系统存在零点漂移，则Ibe=(UR-UR0)/100.0，UR0为零点校正时的测量值。对于PN温度测量(图1④)，可以选择温度反馈1(图2⑦)也可选择温度反馈2(图2⑧)作为测量点。只是他们的负温度系数可能不一致，但都在-1.85mV/°C-2.lmV/°C范围内，需要多次实验求得。其求解方法如下a、打开电源，将模式选择开关(图1(13))拨到波尔兹曼常数测量实验档，此时240*64点阵液晶显示屏(图1(4))应显示三组数据PN结温度T、Ube、Uc；b、将此三组数据记录下来，并计算出ln(Uc)值；c、用MicrosoftOfficeEXCEL画出ln(Uc)随Ube的变化曲线，并添加线性趋势线，显示趋势线公式，可得斜率即为e/kT，带入e=1.602X10-19C和k=1.381*10-23(JK-1)求得T，并与显示的温度值对比进行修正；d、调整PN结温度T，重复c步骤，将不同温度下的修正值求平均值即为负温度系数；对PN结恒温控制是由外部硬件自动实现。单片机(图1(3))采样结温度调整电位器(图1(2))的电压值，据此输出相应占空比的PWM波，经低通滤波器转化为模拟电压值输入至集成比较器LM358的反向端，温度反馈1(图2⑦)或者温度反馈2(图2⑧)接入LM358的同相端，通过此比较器达到恒温控制的目的。实施例1PN结伏安特性曲线测量步骤a、打开电源，将模式选择开关(图1(13))拨到PN结特性曲线测量实验档。调整PN结温度调整电位器(图1(2))，使PN组件基片温度为30.0°C左右；b、在温度稳定以后，调整PN结电压调整电位器(图1(1))改变Ube，记下该温度下UbeIbe数据对，把数据记录在表格中(表1)；要求数据>10对，Ibe最大值小于5毫安，数据在特性曲线上分布均勻合理；c、用MicrosoftOfficeEXCEL画出Ibe随Ube的变化曲线(图3)。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例2PN结温度特性曲线测量步骤1.打开电源，将模式选择开关(图1(13))拨到PN结特性曲线测量实验档。调整PN结温度调整电位器(图1(2))，分别选用5个不同温度进行测量，其中一个温度可以取自实施例1，温度区间为冬季20.0°C60.0°C，夏季40.0°C80.0°C，温度间隔5.010.0°C；2.在每个温度稳定以后，调整PN结电压调整电位器(图1(1))，改变Ube，记下该温度下UbeIbe的数据对，把每个温度下测得的数据对记录在相应数据表格中；要求数据>510对，Ube变化区间为0.300v左右，并使Ibe变化区间在0.10mA5.00mA之间；3.根据步骤2的数据在MicrosoftOfficeEXCEL上作出5个不同温度下的PN结伏安特性曲线(图4)；4.在步骤3所做的图上画一条Ibe=3.000毫安的水平直线，与5条PN结伏安特性曲线相交形成5个交点，根据这些交点坐标以T为横坐标做TUbe温度曲线(图5)，求出TUbe温度曲线斜率就是PN结温度系数AUbe/AT。如图5添加的趋势线可以得出，此PN结的温度系数为-2.019mV/°C。实施例3波尔兹曼常数测量步骤1.开机预热，将模式选择开关(图1(13))拨到波尔兹曼常数测量实验档，单片机自动进行温度校正和零点校正；2.调整结温度调整电位器(图1⑵)，使PN结温度为40.0°C附近(由于是步进控制温度，不必正好是40.0°C)，观察IXD液晶屏(图1(4))显示的温度值，等其稳定3分钟不变即可进行下一步实验。3.调整PN结电压调整电位器(图1(1))，改变Ube，Ube变化区间约0.25V，记下IXD显示器显示的Ube和Uc，也可以用万用表测量并记下Ube和Uc。将Ube、Uc以及InUc记录于表格中(如表2)。4.调整结温度调整电位器(图1⑵)，使PN结温度为50.0°C附近(由于是步进控制温度，不必正好是50.0°C)重复以上测量并分析比较测量结果。5.用MicrosoftOfficeEXCEL画出ln(Uc)随Ube的变化曲线(图6)，并添加线性趋势线，显示趋势线公式，可得斜率即为e/kT，带入e=1.602X10-19C和PN结温度T，求得波尔兹曼常数K。如图6所示，得到斜率6/1^=35.9871，进而求得1^=1.38226￡-23，国际公认波尔兹曼常数k=1.38065E-23，得到相对误差E=11.38226E-23-1.38065E-23|/l.38065E-23=1.16%。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>权利要求一种测量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(1)、结温度调整电位器(2)、单片机(3)、液晶显示屏(4)、可调电压源(5)、精密电阻(6)、半导体基片(10)、运算放大器(11)、反馈电阻(12)、模式选择开关(13)、零点校正独立开关(14)和数字温度传感器(15)所组成，其中半导体基片(10)由加热器(7)、被测PN结(8)和温度传感器(9)构成，结电压调整电位器(1)、结温度调整电位器(2)、温度传感器(9)、模式选择开关(13)、零点校正独立开关(14)和数字温度传感器(15)的输出端分别接单片机(3)的输入端，单片机(3)的输出端分别接液晶显示屏(4)和加热器(7)的输入端，可调电压源(5)串接精密电阻(6)后接被测PN结(8)的发射极，被测PN结(8)的集电极分别接运算放大器(11)的反向输入端和反馈电阻(12)的一端，运算放大器(11)的输出端分别接反馈电阻(12)的另一端和单片机(3)的输入端，运算放大器(11)的正向输入端、可调电压源(5)的接地端和被测PN结(8)的基极分别接地，可调电压源(5)的输出端接单片机(3)的电源接口。2.根据权利要求1所述的一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于所述半导体基片(10)为通用NPN三极管阵列CA3406，包括5个NPN型三极管和三个电阻，其中NPN型三极管和NPN型三极管组成了电加热器(7)，NPN型三极管@和NPN型三极管@各为一个温度传感器(9)，NPN型三极管是被测PN结(8)，NPN型三极管的基极分别接NPN型三极管的基极和单片机(3)的输出端，NPN型三极管的发射极分别接第三电阻(18)的一端和NPN型三极管的发射极，NPN型三极管的集电极分别接第一电阻(16)的一端、第二电阻(17)的一端、NPN型三极管的集电极和可调电压源(5)的输出端，第一电阻(16)的另一端分别接NPN型三极管的基极单片机(3)的输入端，第三电阻(18)的另一端分别与NPN型三极管的发射极和集电极、NPN型三极管@的发射极和集电极、NPN型三极管的基极连接接地，NPN型三极管的发射极和集电极分别接运算放大器(11)的反向输入端和反馈电阻(12)的一端，NPN型三极管@的基极分别接第二电阻(17)的另一端和单片机(3)的输入端。3.根据权利要求1所述的一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于所述的结电压调整电位器⑴和结温度调整电位器⑵都为量程03.7KQ的四脚电位器。4.根据权利要求1所述的一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于所述的集成运算放大器(11)为型号为0P07的高输入阻抗运算放大器。5.根据权利要求1所述的一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于所述的精密电阻(6)是精度为1%。的100Q精密金属膜电阻。6.根据权利要求1所述的一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，其特征在于所述的反馈电阻(12)是精度为1%。的1KQ或10KQ或100KQ或1MQ精密金属膜电阻。专利摘要本实用新型公布了一种测量PN结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪，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。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。文档编号G01R31/26GK201583626SQ20092018040公开日2010年9月15日申请日期2009年11月9日优先权日2009年11月9日发明者夏洪海,宋建平,袁伶华,雷撼申请人:河海大学