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实验1低温的获得与测量及半导体的低温特性温度降低，物质的物理性质将发生变化，由此提供了研究物质物性的新方向和新技术，进一步揭开物质世界的奥秘。低温物理已成为物理学科的一个重要分支，低温技术在很多领域获得了重要的应用，如低温超导技术；空间技术中使用低温技术来获得火箭燃料液氢、液氧；用低温技术模拟宇宙空间的真空和低温环境，以便进行太空模拟试验；用低温技术可较长时间保存人体或生物的活组织，为医学、生物等领域的研究开辟了新的途径。一、实验目的1．掌握低温获得与测量的原理与方法。2．了解闭循环低温系统的原理，了解氦致冷机和真空系统的技术背景、测量技术。3．了解半导体PN结的低温特性，培养学生的低温实验技能和实验数据处理能力。二、实验仪器闭循环氦气制冷机系统，数字万用表，电阻温度测量计等三、实验原理1、低温产生的原理：制冷的方法很多，常见的主要是以下四种：液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及其热电制冷。其中应用最广泛的就是液体汽化制冷（原理），它常见的应用形式又有以下四种：蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷。蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是目前应用最为广泛的两种制冷方式。蒸汽压缩式制冷方法是消耗机械功来制取冷量。压缩机先把制冷工质(可以是氨、氟里昂、空气、氢气、氦气或其他气体)压缩，用冷却水或风冷把压缩气体的发热带走；经换热器预冷后的压缩气体工质经膨胀机膨胀降温制冷或通过节流阀降温。用氨作为制冷工质，最冷能达到零下33.5℃，用氟里昂-14最低能达零下128℃。最低温度是以制冷工质的凝固点为限，用氦气作为制冷工质可以达到零下271℃。蒸汽压缩式制冷原理如图42-1所示。图42-1蒸汽压缩式制冷原理科学技术的发展出现了其他制冷方法，诸如半导体温差制冷，涡流管制冷，吸收式制冷，脉冲管制冷，太阳能光-电转换制冷和光-热转换制冷等等；在极低温领域还有3He-4He的稀释制冷(可达绝对温度10-3K)，顺磁盐绝热去磁制冷(可达10-3K温度)和核去磁制冷(可达到10-6-10-8K低温)等方法。2、半导体低温特性在小注入和突变结耗尽层近似的条件下，如果不考虑结区载流子的产生和复合，并且假设在耗尽层两端载流子满足玻耳兹曼分布，可以导出PN结的电压一电流（密度）方程(1)qvkTSJJe（42-1）这就是著名的肖克莱(Shockley)方程，反映了在一定温度T下，J~V之间的关系。(42-1)式中没有将Js依赖于T的关系表达成显函数，而把T和Js都作为参量。在本实验中，为了了解PN结的温度特性，将J作为固定参数，把(42-1)式写成V~T的函数。肖克莱方程中00nppnSnpqDnqDnJLL（42-2）式中Dn、Dp和Ln、Lp是电子、空穴的扩散系数和平均扩散长度；np0和pn0是P区和N区的少子浓度。(42-2)式中第一项和第二项具有相同的形式，因此只须研究第一项而把第二项的作用近似地包含在一个比例因子中。Dn、Ln和np0都是依赖于温度T的量，又据半导体理论T对Js的关系可以表示为32gErkTSJTe（42-3）其中常数r≈1，Eg是禁带宽度。将(42-3)式代入(42-1)式，并令Eg=qVg，J=J0在室温下，kT/q≈0.026V，一般外加正向偏压约零点几伏时，/qVkTe1，故可近似得到3()/20=AgrqVVkTJTe（42-4）两边取对数，整理后得到0[ln(3)ln]2gJkrVTTVqA（42-5）在正常情况下，VVg，可见0[ln(3)ln]02JkrTqA（42-6）由（42-5）可知V将随着T的升高而减小。应当指出，T®0的情况不在讨论范围内，因为T®0时，小注入条件已不复存在，而且耗尽层两端的载流子也将不再符合玻耳兹曼分布。由于实际样品不可能是一个理想的PN结，因此实验结果与(42-5)式所描述的并不严格相符。四、实验内容及步骤低温实验中的冷源常用液体氮和液体氦，其常压下的沸点分别为77K和4.2K。用减压降温的办法可以把液氮和液氦的温度分别降至63K和1.3K。实验中采用的低温系统可以实现10K~300K的温度变化。该实验观测分析半导体PN结的低温特性。1．抽真空。操作玻璃三通、接通机械真空泵电源对管路预抽15分钟。而后旋开高真空阀门，对样品室抽真空。2．接通低温泵的冷却水。3.打开恒流源开关及压缩机电源开关，记录氦压、温度计电阻、PN结偏压的初始数据。4．每分钟记录一组数据，共需记录120组。5.数据处理。作出温度—电阻曲线、温度—时间曲线及温度—电压曲线。五、思考题1、仔细观察真空罩外表面现象，起先有少量结霜出现，为什么到一定温度后后结霜又会转化为水？2、从实验结果解释说明二极PN结的低温特性。附录一氦致冷机和真空系统的技术背景氦致冷机和实验系统的结构如图42-2所示。图42-2氦致冷机和实验系统的结构低温测量传感器有温差热电偶，电阻温度计和高掺杂硅二极管温度计。温差热电偶热容量小，但灵敏度不够高，复现性也较差。电阻温度计和高掺杂硅二极管温度计稳定性很好，但价格较高。在国产的氦气闭循环制冷系统中，样品架上的制冷功率都在1W以上，电阻温度计和二极管温度计的发热量都可以忽略不计。需要注意的是，通过电阻温度计和二极管温度计的电流必须由恒流源提供。(温度从常温~20K，电阻从55W~3W)。本实验采用的是电阻温度计。样品周围气体的热传导会影响样品低温的获得和保持。气体的压强在10-5Torr时，漏热约在mW量级。在国产的氦气闭循环制冷系统中，10-1~10-2Torr的低真空度足够保证机件和一般样品表面不结霜而不会受损。使用一般机械真空泵可以胜任低真空度的要求。获得低真空后，关闭高真空阀门。进一步降温使残留空气液化，便可以达到较高的真空度，而且因高真空阀门关闭而保持，从而保证样品降温到10K。漏热也会因测量的引出线而发生。漏热量与导线的热导率、导线的尺寸、引出线两端的温差量有关。直径0.1mm长30cm的铜导线，在两端有10K的温差时，可有1mW的漏热。样品测量时的引线应尽量使用锰铜线。锰铜线的热导率仅为铜线的二十分之一。系统的辐射漏热一般由设置温度适中的屏蔽罩来抑制。国产的氦气闭循环制冷系统中已有良好的结构设计。氦致冷机结构中，样品架与真空罩之间还有一个屏蔽罩。屏蔽罩的低温由第一级制冷提供。样品架的低温由第一级制冷之后更低温度的第二级制冷提供。1.在实验中，系统充分升温到室温后才能换样品。换样品前，首先旋转三通为A-A*，B-B*，C-C*连通或B-A*，C-B*连通的状态，接着反时针旋开真空阀，然后旋开二级冷头真空罩的固定螺丝，取下真空罩，更换样品。最后装上真空罩，旋上固定螺丝。2.顺时针关闭高真空阀门，并旋转三通为A-C*，C-A*连通，但B-B*不通的状态，然后打开真空泵三相电源，1分钟后再反时针旋开真空阀。30分钟后先关闭真空阀，最后才关闭真空泵三相电源，紧接着旋转三通为A-B*，B-C*连通，但C-A*不通的状态。3.降温之前，首先要给氦压缩机通水，水量尽可能大，并检查出水的流畅。然后检查氦压表不能超过1.5MPa。最后打开压缩机电源开关。先有较大震动噪声，1分钟以内会变为有规律的较小噪声，氦压会升高0.5MPa左右。万一停电，半小时后才能重新通电。4.降温后2小时内可达到10K的低温。要经常检查冷却水是否通畅。真空罩外表面起先有少量结霜出现，温度在77K以下之后结霜又会转化为水。降温2小时的过程中每分钟测一次PN结正向偏压读数与电阻温度计电阻读数。5.数据采集结束后，应立即断开氦压缩机电源，但1分钟后才能断水。自然升温到100K以上后，人员才能离开。在下一次室温更换样品前，都不能打开真空阀。平时应注意保护高压氦管，不容许过度扭曲、碰撞，以免真空保护套漏气而不能绝热。附录二电阻温度计电阻温度计的电阻用四端测量法以提高精度。采用的KEITHLEY195SYSTEMDMM有5位半的高精度，而且本身带有四端测量的连结。温度计的电阻的一端的两根引出线接到HI端的两个红接线柱上，另一端的两根引出线接到LO端的两个黑接线柱上。上电自检后FUNCTION选OHMS，RANGE选AUTO，可读取电阻温度计的电阻数值（W）。低温样品架上的半导体PN结的偏压也采用四端测量法。半导体PN结的偏压较大（0.6~1.1V），可用数字万用表2V档测量。通过PN结的正向恒定电流应不超过0.03mA。运算放大器使用CA3140和四节五号电池电源。恒流源的参考电路如图42-3所示，电池电压变化对该电路的输出电流值有一定的影响。图42-3恒流源的参考电路附录三ORIGIN软件使用1．输入*.dat文件，或者是打开已有文件“温度计.dat”，会出现R(x)和T(y)两列数据。图42-42．选定R(x)和T(y)并点击左下方line图标，显示R(x)-T(y)关系曲线图42-5图42-63.在“Tools”下选“PonynomialFit”可进行多项式拟合图42-74.在“Analysis”下选“SimpleMath”可进行平移等简单处理（例如y=y+50)。图42-8附录四温度计校准表(小数位补齐)表42-1电阻（W）温度（K）电阻（W）温度（K）电阻（W）温度（K）2.751.2066.832.62511.772.1372.81.3656.8533.26611.872.7222.851.5246.933.911.973.3052.91.6836.9534.5261273.8842.951.843735.14412.174.4632.0057.0535.75412.275.0343.052.177.136.35612.375.6043.12.3367.1536.9512.476.1723.152.5067.237.53612.576.7383.22.6787.2538.11312.677.3013.252.8547.338.68212.777.8633.33.0337.3539.24412.878.4223.353.2157.439.79712.978.983.43.4017.4540.3421379.5363.453.5917.540.8813.280.6433.53.7847.5541.4113.481.7453.553.9827.641.93313.682.8413.64.1837.6542.44913.883.9333.654.3897.742.9571485.023.74.67.7543.45914.286.1023.754.8157.843.95414.487.1793.85.0347.8544.44314.688.2493.855.2597.944.92514.889.3113.95.4887.9545.4011590.3693.955.723845.87115.291.42245.9638.0546.33615.492.4724.056.2088.146.79415.693.5184.16.4598.1547.24815.894.564.156.7168.247.6961695.64.26.9788.2548.13916.296.6364.257.2478.348.57716.497.674.37.5218.3549.01116.698.7014.357.8018.449.4416.899.734.48.0888.4549.86417100.7574.458.3828.550.28417.2101.7824.58.6818.5550.717.4102.8064.558.9888.651.11317.6103.8274.69.3018.6551.52117.8104.8474.659.6228.751.92518105.8664.79.958.7552.32718.2106.8844.7510.2858.852.72418.4107.9014.810.6298.8553.11818.6108.9164.8510.988.953.50918.8109.9314.