基于芯片级控温技术的玻尔兹曼常量测定仪

宋建平，苟 刚，朱太宜，姜 哲

（河海大学a.理学院；b.水利水电学院，江苏南京210098）

1 引 言

玻尔兹曼常量k（1.380 662×10－23J／K）是对热力学第二定律进行统计解释时引入的常量，是反映物质世界不连续特性的重要标志.鉴于玻尔兹曼常量的重要性，复旦大学物理系自行研制了“PN结物理特性测定仪”并开设了实验，测量玻尔兹曼常量.该实验是将晶体管浸没在盛有变压油的试管中，试管下端插在放有水的保温杯中，测量的环境水温度作为晶体管温度.通过研究PN结的扩散电流和结电压之间的关系，计算得到玻尔兹曼常量.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，造成热平衡时间很长，实际使用时一般一次恒温过程超过0.5h，降低了教学效率.针对传统玻尔兹曼实验仪器存在的弊端，笔者采用芯片级控温技术对仪器进行了创造性的改进.改进后仪器不但能精确测定玻尔兹曼常量，而且还能绘制PN结伏安特性曲线Ube－Ibe.

2 实验原理

由半导体物理学可知，PN结的正向电流Ibe和正向电压降Ube关系满足

式中Ibe是PN结的正向电流，Iiso是由实验的PN结半导体几何常量和电学性质决定的参量，T为PN结的绝对温度，e为电子的电量，k为玻尔兹曼常量.在实际测定时Ube为0.4～0.6V，在这个范围内PN结正向电流Ibe非常小，实测仅有10－8～10－6A左……