大學物理試驗PN結正向壓降與溫度特性的研究試驗報告完整

1、PN 結正向壓降與溫度特性的研究一、實驗目的1 .了解 PN 結正向壓降隨溫度變化的基本關系式。2 .在恒流供電條彳下，測繪 PN 結正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其靈敏度和被測PN 結材料的禁帶寬度。3 .學習用 PN 結測溫的方法。二、實驗原理理想 PN 結的正向電流IF和壓降VF存在如下近似關系qVFIFlsexp(-)(1)kT其中 q 為電子電荷；k 為波爾茲曼常數；T 為絕對溫度；Is 為反向飽和電流，它是一個和 PN 結材料的禁帶寬度以及溫度等有關的系數，可以證明(注：(1),(2)式推導參考劉恩科半導體物理學第六章第二節(jié))其中 C 是與結面積、摻質濃度等有關的常數：r 也是

2、常數；Vg(0)為絕對零度時 PN 結材料的導帶底和價帶頂的電勢差。將(2)式代入(1)式，兩邊取對數可得kckTVFVg(0)-InTInTrV1Vn1(3)qIFq其中Isr_CTexpqVg(0)kT(2)kcVIVg(0)-In-TqIFVn1InTrq這就是 PN 結正向壓降作為電流和溫度函數的表達式，它是PN 結溫度傳感器的基本方程。令IF=常數，則正向壓降只隨溫度而變化，但是在方程非線性項Vn1項所引起的線性誤差。按理想的線性溫度影響，VF 應取如下形式:3）中，除線性項 Vi外還包含設溫度由 Ti變?yōu)?T 時，正向電壓由VFI變?yōu)閂F,由（3）式可得VFVg(0)Vg(0)TV

3、FITikTinqTi(4)VF理想VFIVFIT(TTi)(5)號1等于 Ti溫度時的一V匚值。由（3）式可得VFIVg(0)VFIkrTTiq(6)所以丫理想VFi43TTiTiqTkVg(0)Vg(0)VFITkTTr(7)Tq由理想線性溫度響應7）式和實際響應（4）式相比較，可得實際響應對線性的理論偏差為k_kT.T.rV理想VFrTTLn(一)(8)qqTi設 Ti=300k,T=3i0k,取 r=3.4*,由（8）式可得？=0.048mV,而相應的VF的改變量約 20mV,相比之下誤差甚小。不過當溫度變化范圍增大時，VF溫度響應的非線性誤差將有所遞增，這主要由于 r 因子所致。綜上

4、所述，在恒流供電條件下，PN 結白VF對 T 的依賴關系取決于線性項 Vi,即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是 PN 結測溫的依據。必須指出，上述結論僅適用于雜質全部電離、本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間（對于通常的硅二極管來說，溫度范圍約-50C-i50C）o如果溫度低于或高于上述范圍時，由于雜質電離因子減小或本征載流子迅速增加；VFT 關系將產生新的非線性，這一現象說明VFT 的特性還隨 PN 結的材料而異，對于寬帶材料（如 GaAs）的 PN 結，其高溫端的線性區(qū)則寬；而材料雜質電離能?。ㄈ?Insb）的PN 結，則低溫端的線性范圍寬，對于給定的 PN 結，即使在雜質導電和非本征激發(fā)溫

5、度范圍內，其線性度亦隨溫度的高低而有所不同，這是非線性項 Vn1引起的，由 Vn1對 T 的二階2導數n.31可知 L1 的變化與 T 成反比，所以VF-T的線性度在高溫端優(yōu)于低溫端，dT2TdT這是 PN 結溫度傳感器的普遍規(guī)律。此外，由（4）式可知，減小IF,可以改善線性度，但并不能從根本上解決問題，目前行之有效的方法大致有兩種：1、對管的兩個 be 結（將三極管的基極與集電極短路與發(fā)射極組成一個 PN結），分別在不同電流 lF1,|F2下工作，由此獲得兩者電壓之差（VFI-VF2）與溫度成線性函數關系，即kTlF1VF1VF2In匕qlF2由于晶體管的參數有一定的離散性，實際與理論仍存在

6、差距，但與單個 PN 結相比其線性度與精度均有所提高，這種電路結構與恒流、放大等電路集成一體，便構成集成電路溫度傳感器。1.OkiraOhte 等人提出的采用電流函數發(fā)生器來消除非線性誤差。由（3）式可知，非線性誤差來自 Tr 項， 利用函數發(fā)生器， 使IF比例于絕對溫度的 r 次方， 則VFT 的線性理論誤差為？=0,實驗結果與理論值頗為一致，其精度可達 0.01Co三、實驗方法與內容1 .實驗系統(tǒng)檢查與連接A.取下樣品室的簡套（左手扶筒蓋，右手扶筒套順時針旋轉），查待測 PN 結管和測溫元件應分放在銅座的左、右兩側圓孔內，其管腳不與容器接觸，然后放好筒蓋內的橡皮 0 圈,裝上筒套。0 圈的

7、作用是當樣品室在冰水中進行降溫時，以防止冰水滲入室內。B.控溫電流開關應放在“關”位置，此時加熱指示燈不亮。接上加熱電源線和信號傳輸線。兩者連線均為直插式，在連接信號線時，應先對準插頭與插座的凹凸定位標記，再按插頭的緊線夾部位，即可插入。而拆除時，應拉插頭的可動外套，決不可魯莽左右轉動，或操作部位不對而硬拉，否則可能拉斷引線影響實驗。實驗儀器線路已接好，由老師演示，同學們無需再調。2 .*（O）或VF（TR）的測量和調零將樣品室埋入盛有冰水(少量水)的杜瓦瓶中降溫，開啟測試儀電源(電源開關在機箱后面，電源插座內裝保險絲)，預熱數分鐘后，將“測量選擇”開關(以下簡稱 K)撥到IF,由“IF調節(jié)”

8、使IF=50A,待溫度冷卻至 0c時， 將 K撥到VF,記下 VF(0)值， 再將 K置于？V,由“？V調零”使？V=0。本實驗的起始溫度TS從室溫TR開始，只測 Si 管，按上述所列步驟，測量VF(TR)并使?V=0。3 .測定？VT 曲線取走冰瓶，開啟加熱電源(指示燈即亮)，逐步提高加熱電流進行變溫實驗，并記錄對應的？V 和 T,至于？V、T 的數據測量，可按？V 每改變 10 或 15mV 立即讀取一組？V、T,這樣可以減小測量誤差。應該注意：在整個實驗過程中，升溫速率要慢。且溫度不宜過高，最好控制在 120c 左右。4 .求被測 PN 結正向壓降隨溫度變化的靈敏度 S(mv/C)。作？

9、VT 曲線(使用 Origin 軟件工具)，其斜率就是 So5 .估算被測 PN 結材料硅的禁帶寬度 Eg(0)=qVg(0)電子伏。根據(6)式，略去非線性，可得?T=-273.2K,即攝氏溫標與凱爾文溫標之差。將實驗所得的 Eg(0)與公認值 Eg(0)=1.21 電子伏比較，求其誤差四、數據處理初識溫度t20.9oC有VF(20.9C)601mV加溫電流 0.3A(mV)T(C)(mV)T(C)-1025.31097.5-2029.92094.7-3034.23088.2-4038.54083.9VgVF(0)VF(0)TVF(273.2)ST-5042.95080.6-6047.360

10、74.2-7051.77070.2-8056.38066.2-9060.89061.4-10065.210057.4-11069.711052.2-12074.212048.6-13078.713043.1-14083.114039.5-15087.615034.6-1609216029.7-17096.617025.1-180101.1升溫:Y=A+B*XParameterValueErrorA46.468940.18884B-2.243360.00281RSDNP-0.999990.27585180.0001升溫靈敏度S-2.24336mV/oC2.24mV/oC由圖線可知,T(60146

11、)(2.24)(273.2)mV1259mV1.26VEgqVg(0)1.26eV與公認值Eg1.21eV比較，相對誤差為 0.05eV降溫Y=A+B*XParameterValueErrorA225.792240.96927-2.204630.0148T(oC)Vg(0)VF(273.2K)SEg(0)1.26-1.211.21|4%SD-0.999661.35582170.0001T(oC)180-160-J140-120一100-80-60-140-20-0-降溫（mv）靈敏度S-2.20463mV/oC2.20mV/C由圖線可知(601180226)(2.20)(273.2)mV1.2

12、5VEgqVg(0)1.25eV與公認值Eg1.21eV比較，相對誤差為 0.04eV五、結果分析:靈敏度:CLinearFitofDatalC2030405060708090100Vg(0)VF(273.2K)SEg(0)1.25-1.211.21|3%EgqVg（0）1.26eV（升溫）EgqVg（0）1.25eV（降溫）升溫和降溫的兩個過程所得到的禁帶寬度與標稱值相當接近。所測的靈敏度也相當接近。六、誤差分析：這次實驗的誤差主要來源有：1、儀器誤差。由于儀器精度有限，所記錄的是離散變化程度不小。導致在 1mV 的范圍內有多個溫度值。這時候，雖然默認選取第一瞬間的值，但誤差仍然存在。2、操作誤差。由于在降溫的過程中，并非完全自然降溫。所以在人工降溫的過程中會出現銅塊上溫度分布不均勻的情況，即存在溫度計與 PN 結的溫度不一致的可能。所以多了這一部分的誤差。此時應該采均勻對流的自然冷卻方法。七、思考題：1、答：測 VF(0)或 VF(TR)的目的在于求禁帶寬度。測量？VT 曲線而不是 VFT 曲線是因為測量？V的精度更高，更能減少儀器誤差，結果