一种测量ＰＮ结特性曲线及波尔兹曼常数的实验仪制造技术

本实用新型专利技术公布了一种测量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。本实用新型专利技术实现了快速、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。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种波尔兹曼常数测量
，具体一种测量PN结特性曲线 及波尔兹曼常数的实验仪。
技术介绍
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(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。
技术实现思路
本技术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。本技术为实现上述目的，采用如下技术方案本技术一种测量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。本技术实现了快速、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是本技术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10 Q(19)通用NPN三极管阵列CA3046⑥加热电流 ⑦温度反馈1 ⑧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Ube Ibe伏安特性曲线图。图4是多温度Ube Ibe伏安特性曲线图。图5是T Ube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技术的技术方案进行详细说明如图1所示，本技术一种测量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0 3. 7KQ的 四脚本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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P...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋建平，夏洪海，袁伶华，雷撼，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：实用新型
国别省市：84[中国|南京]