电子材料与器件综合实验

1. 电子材料与器件综合实验 指导导师：周丽梅 副教授

2. 目 录 ■实验目的 ■实验仪器与设备 ■实验原理 ■实验内容与步骤 ■注意事项 ■思考题

3. 实验目的 通过综合实验教学，让学生认知各种电子材料及器件，掌握四点法测量硅材料的电阻率，了解用LED的发光原理，了解硅材料光伏电池的工作原理。通过本实验教学，使学生进一步加深对课程内容的理解，熟悉有关实验设备和仪器的使用，加深学生对电子材料和器件的理解和应用，培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力和动手能力。

4. 实验仪器与设备 1.认知各种电子元器件 MS-47万用表、A6013L/A6243L电容表。 2.测量LED的发光光谱 CMS-1200发光二极管光谱分析仪、积分球、PC机、DH1718E-5型双路跟踪稳压稳流电源、Agilent 34401A。 3.测量太阳电池的伏安特性 硅材料光伏电池组件、MS-47万用表、可变电阻2-4个、导线。 4.四探针法测量材料电阻率 SX1934（SZ－82）数字十四探针测试仪。

5. 实验原理 测量LED的发光光谱 人眼所看到的颜色事实上是主观量，为客观、统一地评价光源或物体的颜色，CIE(国际照明委员会)推荐“CIEl931XYZ标准色度系统”，其三刺激值函数如图1所示： 对于一发光物体假设其发射光谱,则入眼的三刺激值响应为： 色品坐标： 图1 CIE l931 XYZ系统三刺激值

6. 实验原理 测量LED的发光光谱 自然界中的全部颜色均能在CIE 193l XYZ色度系统的马蹄形色品图中找到，并可由色品坐标(,)表示，如图2a所示。由于CIE l931 XYZ标准色度系统在实际应用中存在如：色差容限不均匀等问题，CIE又推荐CIE1964标准色度系统，如图2b所示。 图2b CIE l960 UCS色品图 图2a CIE l931 XYZ系统色品图

7. 实验原理 测量LED的发光光谱 其实，( , )和( , )存在一一对应的关系，均表示颜色的坐标位置，是两种不同色度空间的表示法。它们的坐标变换关系如下： 图2b中，中间的一条曲线表示黑体在不同温度下辐射光的颜色坐标点的轨迹，如果某一发光体颜色与温度下的黑体辐射光有相同的颜色，即：在色度图上坐标相同，则称该黑体的温度为发光体的色温，现实世界中，大部分的发光体，如三基色的荧光灯，荧光粉，它们的色坐标点不处在黑体轨迹上，此时用相关色温表示，当发光体颜色与某一温度下的黑体辐射最接近，则称该黑体的温度为发光体的相关色温。在CIE 1960 UCS均匀色品图上，通过发光体的色品坐标点向黑体轨迹做垂直线，得到垂足点所对应的黑体温度既为该发光体的相关色温，只要测得了发光体的色品坐标既可计算出相应的相关色温。

8. 实验原理 测量LED的发光光谱 相同色品坐标的荧光粉或荧光灯照明物体时，产生的客观效果并不一定相同，有的荧光粉或荧光灯的色显现能力较强，既显色指数高，反之，显色指数低，为了考核发光体(或光明体)的显色指数，CIE规定了14种标准试验色，计算被测光和相同色温的黑体辐射分别照明试验色色板时两者的颜色ΔE，既可求得特殊显色指数 ： 试验色1—8号求得的8个特殊显色指数的平均值称为一般显色指数 ： 综上所述，只要测得被测光源的相对光谱功率分布就可以计算出其色品坐标，相关色温和显色指数，同时，经过光度参数的标定，可测量光通量、照度、亮度等光度学参数。

9. 实验原理 测量太阳电池伏安特性 太阳电池的工作原理是基于光伏效应。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流 。同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流 ，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反，因此实际获得的电流 为 （1） 式中 为结电压， 为二极管的反向饱和电流， 为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的。 称为理想系数（ 值），是表示pn结特性的参数，通常在1-2之间。 为电子电荷， 为波尔茨曼常数， 为温度。 如果忽略太阳电池的串联电阻，即为太阳电池的端电压，则（1）式可写为 （2） 当太阳电池的输出端短路时， =0（ ≈0），由（2）式可得到短路电流 （3）

10. 实验原理 测量太阳电池伏安特性 即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。当太阳电池的输出端开路时，=0，由（2）和（3）式可得到开路电压 （4） 当太阳电池接上负载 时，所得的负载伏—安特性曲线如图4所示。负载 可以从零到无穷大。当负载 （负载通讯常用表示）使太阳电池的输出功率输出为最大时，它对应的最大功率 为 （5） 式中 和 分别为最大工作电流和最大工作电压。将 与 的乘积与最大功率 之比定义为填充因子 ，则 （6） 为太阳电池的重要表征参数， 愈大则输出的功率愈高。 取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。

11. 实验原理 测量太阳电池伏安特性 太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率于照射到太阳电池的总辐射能 （应该是 ）之比，即 （7） 太阳电池可用pn结二极管D、恒流源 、太阳电池的电极等引起的串联电阻 和相当于pn结泄露电流的并联电阻 组成的电路来表示，如图5所示，该电路为太阳电池的等效电路。由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压得关系为： （8） 为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减少串联电阻 ，增大并联电阻 。 图4 太阳电池的伏—安特性曲线 图5 太阳电池的等效电路

12. 实验原理 测量材料电阻率 （1）体电阻率测量：图3四探针法测量原理图 如图1所示，当1、2、3、4根金属针排成一条直线并以一定压力压在半导体材料上时，在1、4两处探针间通过电流I，则2、3两探针间产生电位差 。 材料的电阻率 （Ω·cm） (1) 式中C为探针系数，由探针几何位置决定，当试样电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无限大条件时： （cm） (2) 式中 、 、 分别为探针1与2， 2与3，3与4之间距， 当 = = =1mm时， 若电流取 时，则 可直接由数字电压表读出。 图3 四探针法测量原理图

13. 实验原理 测量材料电阻率 （a）块状或棒状样品电阻率测量： 由于块状或棒状样品外形尺寸远大于探针间距，符合半无穷大的边界条件，电阻率值可以直接由(1)式求出。 （b）簿片电阻率测量 薄片样品因为其厚度与探针间距相近，不符合半无穷大边界条件，测量时要附加样品的厚度、形状和测量位置的修正系数。 其电阻率值可由下面公式得出： （3） 式中： ——为块状体电阻率测量值 ——为样品厚度修正函数，可由附录lA或附录lB查得。 ——样品厚度(μm)； ——探针间距(mm) ——为样品形状与测量位置的修正函数，由附录2查得。 当圆形硅片的厚度满足 条件时，电阻率为： （4） 式中为2的自然对数。 当忽略探针几何修正系数时，即认为时 (5)

14. 实验内容与步骤 认知各种电子元器件 根据所学的电学知识，自己写出用万用表和电容表测量电阻、电位器、电容和二极管、三极管的操作步骤。

15. 实验内容与步骤 测量LED的发光光谱 (1)将LED灯安装到积分球上，注意正负级并且要带上手套保持LED灯干净。 (2)接通电源，打开计算机和稳压电源表，并且将电压电流保持最小。 (3)逐渐调节“电压调节”按钮，使电压值在2.5V左右。 (4)双击计算机桌面上“CMS1200LED颜色测试系统”。 (5)点击工具栏上“LED光谱测试”按钮。 (6)在界面的“主通道增益”下拉框上选择“1”，“负高压调节方式” 下拉框上选择“自动”，然后点击“开始”按钮，测绘色谱图。 (7)存盘退出。 (8)取出LED灯,将电压电流调制到最小,关闭电源(包括光谱分析仪、稳压电源表、电流表和计算机)。 (9)打印色谱图。

16. 实验内容与步骤 测量太阳电池伏安特性 (1)用万用表与硅材料光伏电池连接，测出短路电流和短路电压。 (2)用0－220K和0—100Ω电位器串联，然后按照图6与硅材料光伏电池、两个万用表连接。（万用表1个测电流，1个测电压）。 (3)先调节0－220K电位器，使电压值变化不大的情况下电流值变化很大，然后再调节0-100Ω电位器，使电流值变化不大的情况下电流值变化电压很大。 (4)记录若干个相应的电流值和电压值，绘出伏—安特性曲线。 图6 太阳电池的等效电路图

17. 实验内容与步骤 测量材料电阻率 (1)测试准备：将220V电源插头插入电源插座，电源开关置于断开位置，工作选择开关置于“短路”位置，电流开关处于弹出切断位置。 将测试架的插头与主机的输入插座连接起来，松开测试架立柱处的高度调节手轮，将探头调到适当位置和高度，测试样品应进行喷砂和清洁处理，放在样品架上，使探针能与其表面良好接触，并保持一定压力。 (2)测量：将电源开关置于开启位置，数字显示亮，仪器通电预热1小时。 极性开关拨至上方，工作状态选择开关置于“调节”位置，电流量程开关与电压量程开关必须放在表1所列的任一组对应的量程上（一般选1 lmA、20mV）。 表1 电流调节和自校时必须对应的电流电压量程 按下电流开关，调节电流电位器，使电流输出4.53mA。 再弹出电流开关，调节粗调和细调旋钮，使电压值为0.00。 工作状态选择开关置于“测量”，拨动电流量程开关和电压量程开关，置于样品测量所适合的电流、电压量程范围。

18. 实验内容与步骤 测量材料电阻率 测量电阻、方块电阻时，可以按表2所示的电压、电流量程进行选择。 表2 电阻及薄层电阻测量时电压、电流量程选择 测量电阻率时，预估的样品电阻率范围和应选择的电流范围对应关系如表3所示。表3 测量电阻率所要求的电流值

19. 实验内容与步骤 测量材料电阻率 根据国家标准及仪器性能，从保证测试精度考虑，在电阻率测试时，推荐用户采用以下电流、电压量程组合，见表4所示。 表4 电阻率测量时推荐的电流电压量程选择 按下电流开关输出恒定电流，即可由数字显示板和单位显示灯直接读出测量值。如果数字出现闪烁，则表示测量值已超过此电压量程，应将电压量程开关拨到更高档；读数后切断电流开关，数字显示将恢复到零位。再将极性开关拨至下方(负极性)，按下电流开关，从数字显示板和单位显示灯可以读出负极性的测量值；将两次测量获得的电阻率值取平均，即为样品在该处的电阻率值。 弹出电流开关，将工作选择开关置于“短路”位置，极性开关拨至上方，断开电源。根据电阻的情况进行校正。

20. 注意事项 1.认知各种电子元器件 (1)注意电解电容器的正负极。 (2)注意使用万用表时量程的选择以及做完实验后万用表必须扳到交流250V档。 2.测量LED的发光光谱 (1)主机上的狭缝宽度调节时最大不能超出3mm范围，调好后经常检查，以免不小心碰动而改变； (2)采样过程中，请勿移动对话框以及进行对话框以外的操作； 3.测量光伏电池的伏安特性 (1)注意电压表和电流表量程的选择。 (2)注意电路的连接方式，避免短路。 4.四探针法测量材料电阻率 (1)注意电流调节时必须选择对应的电流电压量程。 (2)仪器在中断测试时应将工作选择开关置于“短路”位置，电流开关置于弹出断开位置。

21. 思考题 1.测量电阻时如何避免人体电阻。 2.测量电阻时需要几次将电阻档调零，为什么。 3.如果电解电容器正负极反接，将会发生什么现象。 4.正常二极管两次测量电阻值有何区别？ 5.如何辨别三机关的基极、发射极和集电极。 6.二极管为什么具有单向导电性 7.根据什么参数判断LED灯发何种颜色的光。 8.阐述半导体的电阻率跟杂质浓度和温度的关系。 9.计算太阳能电池板的转换效率。

22. 谢谢大家！