近代物理实验报告第三次

第三次近代物理实验PN结正向压降与温度关系研究全息光学迈克尔逊干涉仪PN结正向压降与温度关系研究一、实验目的1.了解PN结正向压降与正向电流的基本关系，测定PN结FFVI特性曲线及玻尔兹曼常数。2.测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。3.学会用PN结测量温度的一般方法。二、实验原理1.半导体物理学中有PN结正向电流FI与正向电压FV满足如下关系：)1(expkTeVIIFSFE为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。SI为反向饱和电流，是一个与PN结材料禁带宽度和温度有关的系数，不睡电压变化而变化。在常温下1expkTeVF，于是有：kTeVIIFSFexp这就是FFVI关系，如果测得FFVI关系曲线，则可以求出e/kT，测得温度T后就可以求出玻尔兹曼常数k。2.PN结禁带宽度的测量物理学中有如下结论，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差)0(gV，二极管反向饱和电流SI有如下关系：kTeVCTIgrS)0(expr是常数，C是与PN结面积、掺杂浓度有关的常数，取对数后可得：nIIrFgFVVTekTTICekVVln)ln()0(其中TICekVVFgI)ln(rnITekTVln式中有非线性项nIV，可以证明当温度变化范围不大（-50℃~150℃）时，nIV引起的误差可以忽略不计。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降主要依赖于线性项IV。这一结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略温度区间。如果温度过高或过低，则杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，TVF关系的非线性变化更加严重，这说明TVF特性还与PN结的材料有关。为了消去非线性项的影响，可以令管的两个be结在不同的电流下供作，得到如下关系：2121lnFFFFIIekTVV根据nIIrFgFVVTekTTICekVVln)ln()0(，略去非线性项可得TSVTTVVVFFFg*)2.273()0()0(2.273T，为摄氏温标与开尔文温标之差，S为正向压降随温度变化灵敏度。三、实验结果玻尔兹曼常数k的测量)(AIF0123456)(mVVF140484500516522524526)(AIF78910111220)(mVVF530535540545547549562)(AIF30405060708090)(mVVF573581586591595599602将所得数据绘成下图再用matlab拟合函数可以得到如下表达式：即：)03806.0exp(1002.18FFVI注意这里的单位取值对比kTeVIIFSFexp可以得到03806.0103kTe温度为26.5℃，计算值23104048.1k标准值23103806.1k误差1.75%误差分析：1.读数不准确，仪器示数跳动2.拟合时a的误差较大禁带宽度gV的测量AIF50mVVF587)(mVV01020304050T℃21.526.030.635.039.744.0)(mVV60708090100T℃48.452.857.061.565.9将所得数据绘图如下利用MATLAB拟合结果如下：即得：)/(256.2CmVS将上述结果结果代入TSVTTVVVFFFg*)2.273()0()0(注意：这里的V实际上是负值，故代入时应取)/(256.2CmVS15.273T℃VmVmVVg203.12264.1203)15.273()256.2(587)0(eVEg203.1)0(公认值eVEg21.1)0(误差0.57%四、思考题1.是否可以直接测量PN结二极管的电流—电压关系来验证kTeVIIFSFexp？为什么？答：不可以。因为二极管正向电流FI中不仅含有扩散电流，还有其他成分如耗尽层复合电流、表面电流等，导致FI测量不够精确。2.试验中为何要求测TV曲线而不是TVF曲线？测)0(FV和)(RFTV的目的是什么？答：FI为常数时，TVF近似为线性关系，用TV做线性拟合更为精确。测)0(FV和)(RFTV是为了根据TSVTTVVVFFFg*)2.273()0()0(计算禁带宽度。3.测TV曲线为什么按V得变化读取T，而不是按T读取V？答：实验中T变化较快，且不容易控制，误差较大。迈克尔逊干涉仪一、实验目的1、了解迈克耳孙干涉仪的结构和原理，掌握调节方法；2、用迈克耳孙干涉仪测量钠光波长和精细结构。二、仪器用具迈克耳孙干涉仪，钠光灯，透镜等。三、实验原理迈克尔逊干涉仪原理如图所示，从光源S发出的一束光摄在分束板G1上，将光束分为两部分：一部分从G1半反射膜处反射，射向平面镜M2；另一部分从G1透射，射向平面镜M1。因G1和全反射平面镜M1、M2均成45°角，所以两束光均垂直射到M1、M2上。从M2反射回来的光，透过半反射膜；从M2反射回来的光，为半反射膜反射。二者汇集成一束光，在F处即可观察到干涉条纹。光路中另一平行平板G2与G1平行，其材料厚度与G1完全相同，以补偿两束光的光程差，称为补偿板。在光路中，M1’是M1被G1半反射膜反射所形成的虚像，两束相干光相当于从M1’和M2反射而来，迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹如同M2和M1’之间的空气膜所产生的干涉条纹一样。两平面平行我们可以得到等倾干涉，两平面有夹角我们可以得到等厚干涉。若光源是点光源，可以得到非定域干涉。本实验中光程差可用下式表示：idcos2如果两面平行，可得等倾干涉，干涉条纹是一组同心圆环，d增加半个波长则中心“冒出”一个条纹；减少半个波长则“缩进”一个条纹。故有：2Nd精细结构测量：视见度定义：minmaxminmaxIIIIV实验所用的光源并不是纯单色光源，入射光中包含两种波长1和2的光波。这时观察到的条纹就是两组干涉条纹的叠加。光程差改变时，两组条纹会错开。当满足2211)21(KK时，视见度最低。从某一次视见度最低的位置开始，到下一次视见度最低的位置。光程差为)(212dd则有：221112)21()(2KKdd由此解出：)(2122dd212四、实验数据钠光波长的测量次数N初读数1d/mm末读数2d/mm12ddd/mmNd2/nm/nm15030.7513230.736340.01498599.2596.7210030.7342830.704280.03000600.035030.6946930.679920.01477590.8标准值nm3.589误差1.25%精细结构测量mmd32439.01mmd03314.02nmdd595.02122误差0.83%声光效应的研究一、实验目的1、了解声光效应的原理；2、测量声光器件的衍射效率及对光偏转的研究；3、利用声光效应测量声波在介质中的传播速度。二、实验仪器He-Ne激光电源，声光器件，CCD光强分布仪，高频功率信号源，示波器，频率计。三、实验原理当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。光被弹性声波衍射有两种类型，频率较高时产生布拉格衍射，频率较低市场，产生Raman-Nath衍射。由于光速大约是声速的510倍，在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可看成是固定的。对于布拉格衍射，入射光满足布拉格条件nssin2s为声波波长。当声波为行波时，只有+1或-1级衍射光。且衍射效率极高。对于布拉格衍射，当很小时，衍射光偏转角sssfn02，一级衍射效率为HLPMs2sin202图3布喇格衍射L、H为超声转换器的长和宽，M2是反映声光介质本身性质的常数。声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，此频率称为声光器件的中心频率，记为cf。对于其他频率的超声波其衍射效率将降低。规定衍射效率（或衍射光的相对光强）下降3db（即衍射效率降到最大值的1/2时），两频率间的间隔为声光器件的带宽。四、实验数据光强与频率I=100mA频率81.096083.018585.003687.015689.021791.024893.1206光强3.323.714.034.334.544.634.65频率95.122697.028099.0232101.1284103.0218105.1021光强4.544.374.113.763.363.91将数据整理得到下图图中红色曲线是用2sin拟合后的结果。可以看到实验数据较好的符合HLPMs2sin202关系。其中心频率大约为93.0728MHz，带宽大约为105.1023-81.0960=24.0063MHz超声波频率和偏转角频率80.065282.039587.112592.011897.0824偏转角6.26.36.57.07.3频率102.0148107.0020112.0668117.0324122.0018偏转角7.57.88.18.69.2将数据整理得到：可以看到，偏转角大致呈线性变化。零级、一级衍射光强与功率)(mAI4050607080901000P4.183.663.082.622.181.821.411P1.041.392.002.623.223.804.18将数据整理蓝色代表0P，绿色代表1P可以看到，随着功率逐渐增大，零级衍射光强不断减小，一级衍射光强不断增加，最后一级衍射大于零级衍射。液体中超声波声速的测定一、实验目的（1）学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。（2）测定超声波在液体中的传播速度。（3）了解超声波的产生方法。二、仪器用具分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。三、实验原理将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波，如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为yKtNNtyNsscos,0式中ΔN是折射率的变化幅度；ωs是超声波的波角频率；Ks是超声波的波数，它与超声波波长λs的关系为Ks=2π/λs。图1b是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度vs向前推进。如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。设前进波与反射波分别沿y轴正方向传播，它们的表达式为yKtAsscos1yKtAsscos2其合成波为yKtAyKtAsssscoscos121tyKAsscoscos2此式就是驻波的表达式。其中tscos表示合成以后液体媒质中各点都在各自的平衡位置附近作同周期的简谐振动，但各点的振动为yKAscos，即振幅与位置y有关，振幅最大发生在1cosyKs处，对应的2//ssnKny（n=0，1，2，3……）这些点称为驻波的波幅，波幅处的振幅为2A，相邻波幅间距离为2/s。振幅最小发生在0cosyKs处，其中4/)12(sny，这些点称为波节，如图2中a、b、c、d为节点，相邻波节间的距离也为2/s。可见，驻波的波腹与波节的位置是固定的，不随时间变化。对于驻波的任意