PN結(jié)正向壓降溫度特性及正向伏安特性的研究

1、PN結(jié)正向壓降溫度特性及正向伏安特性的研究 PN結(jié)正向壓降溫度特性 及正向伏安特性的研究 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式，了解用PN結(jié)測(cè)溫的方法。 2在恒流供電條件下，測(cè)繪PN結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其靈敏度和被測(cè)PN結(jié)材料的禁帶寬度。 3了解二極管的正向伏安特性，測(cè)量波爾茲曼常數(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)原理 （一）PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系 理想PN結(jié)的正向電流IF和壓降VF存在如下近似關(guān)系 qV IF?IsexF) （1） kT 其中q為電子電荷；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；Is為反向飽和電流，它是一個(gè)和PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)的系數(shù)，可以證明 qV

2、g(0)? （2） Is?CTexpkTr （注：（1），（2）式推導(dǎo)參考 劉恩科 半導(dǎo)體物理學(xué)第六章第二節(jié)） 其中C是與結(jié)面積、摻質(zhì)濃度等有關(guān)的常數(shù)：r也是常數(shù)；Vg(0)為絕對(duì)零度時(shí)PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差。 將（2）式代入（1）式，兩邊取對(duì)數(shù)可得 ?kc VF?Vg(0)?In?qIF? 其中 ?kTr? T?InT?V1?Vn1 （3）?q? ?kcV1?Vg(0)?In?qIF? KTrVn1?InTq?T? 這就是PN結(jié)正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達(dá)式，它是PN結(jié)溫度傳感器的基本方程。令I(lǐng)F=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化，但是在方程（3）中，除線性項(xiàng)V1外還包含非線性

3、項(xiàng)Vn1項(xiàng)所引起的線性誤差。 設(shè)溫度由T1變?yōu)門時(shí)，正向電壓由VF1變?yōu)閂F，由（3）式可得 VF?Vg(0)?Vg(0)?VF1?TkT?T?1n? （4） T1q?T?1?r 按理想的線性溫度影響，VF應(yīng)取如下形式： VF理想?VF1?VF1(T?T1) （5） ?T ?VF1?V等于T1溫度時(shí)的F值。 ?T?T 由（3）式可得 Vg(0)?VF1k?VF1 ?r （6） ?TT1q 所以 ?Vg?VF1k?V理想?VF1?r?T?T1?Tq?1? （7） Tk?Vg(0)?Vg(0)?VF1?T?T1?rT1q? 由理想線性溫度響應(yīng)（7）式和實(shí)際響應(yīng)（4）式相比較，可得實(shí)際響應(yīng)對(duì)線性的理

4、論偏差為 kkTT?V理想?VF?r?T?T1?Ln()r （8） qqT1 設(shè)T1=300k，T=310k，取r=3.4*,由（8）式可得?=0.048mV，而相應(yīng)的VF的改變量約20mV，相比之下誤差甚小。不過當(dāng)溫度變化范圍增大時(shí)，VF溫度響應(yīng)的非線性誤差將有所遞增，這主要由于r因子所致。 綜上所述，在恒流供電條件下，PN結(jié)的VF對(duì)T的依賴關(guān)系取決于線性項(xiàng)V1，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是PN結(jié)測(cè)溫的依據(jù)。必須指出，上述結(jié)論僅適用于雜質(zhì)全部電離、本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間(對(duì)于通常的硅二極管來說，溫度范圍約-50150)。如果溫度低于或高于上述范圍時(shí)，由于雜質(zhì)電離因子減小或本

5、征載流子迅速增加；VFT關(guān)系將產(chǎn)生新的非線性，這一現(xiàn)象說明VFT的特性還隨PN結(jié)的材料而異，對(duì)于寬帶材料（如GaAs）的PN結(jié)，其高溫端的線性區(qū)則寬；而材料雜質(zhì)電離能小（如InSb）的PN結(jié)，則低溫端的線性范圍寬，對(duì)于給定的PN結(jié)，即使在雜質(zhì)導(dǎo)電和非本征激發(fā)溫度范圍內(nèi)，其線性度亦隨溫度的高低而有所不同，這是非線性項(xiàng)Vn1引起的，由Vn1對(duì)Td2Vn11dVn1?可知的二階導(dǎo)數(shù)的變化與T成反比，所以VF-T的TdTdT2 線性度在高溫端優(yōu)于低溫端，這是PN結(jié)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(duì)管的

6、兩個(gè)be結(jié)（將三極管的基極與集電極短路與發(fā)射極組成一個(gè)PN結(jié)），分別在不同電流IF1，IF2下工作，由此獲得兩者電壓之差（VF1- VF2）與溫度成線性函數(shù)關(guān)系，即 VF1?VF2?kTIF1 (9) InqIF2 由于晶體管的參數(shù)有一定的離散性，實(shí)際與理論仍存在差距，但與單個(gè)PN結(jié)相比其線性度與精度均有所提高，這種電路結(jié)構(gòu)與恒流、放大等電路集成一體，便構(gòu)成集成電路溫度傳感器。 2、 Okira Ohte等人提出的采用電流函數(shù)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(xiàng)，利用函數(shù)發(fā)生器，使IF比例于絕對(duì)溫度的r次方，則VFT的線性理論誤差為?=0，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值頗為一致，其精

7、度可達(dá)0.01。 （二）PN結(jié)的伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量 由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，PN結(jié)的正向電流-電壓關(guān)系滿足： eU/KTI?Ie?1 (10) 0 ? 式(10)中I是通過PN結(jié)的正向電流，I0是反向飽和電流，在溫度 恒定是為常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，e是電子的電荷量，U為PN結(jié)正向壓降。由于在常溫(300K)時(shí)，kT/e0.026v ，而PN結(jié)正向壓降約為十分之幾伏，則e 略，于是有： eU/KTI?Ie0 (11) eU/KT>>1,(10)式括號(hào)內(nèi)-1項(xiàng)完全可以忽 也即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測(cè)得PN結(jié)I-U 關(guān)系值，則利用(10)式可以求出e/kT。在測(cè)得

8、溫度T后，就可以得到e/k常數(shù)，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)k。 在實(shí)際測(cè)量中，二極管的正向I-U關(guān)系雖然能較好滿足指數(shù)關(guān)系，但求得的常數(shù)k往往偏小。這是因?yàn)橥ㄟ^二極管電流不只是擴(kuò)散電流，還有其它電流。一般它包括三個(gè)部分： 1擴(kuò)散電流，它嚴(yán)格遵循(11)式； 2耗盡層復(fù)合電流，它正比于eeU/2KT； 3表面電流，它是由Si和SiO2界面中雜質(zhì)引起的，其值正比 于eeU/mKT,一般m>2。 因此，為了驗(yàn)證(11)式及求出準(zhǔn)確的e/k常數(shù)，不宜采用硅二極管，而采用硅三極管接成共基極線路，因?yàn)榇藭r(shí)集電極與基極短接，集電極電流中僅僅是擴(kuò)散電流。復(fù)合電流主要在基極出現(xiàn)，測(cè)量集

9、電極電流時(shí)，將不包括它。實(shí)驗(yàn)中若選取性能良好的硅三極管，并且又處于較低的正向偏置，這樣表面電流影響也完全可以忽略，所以此時(shí)集電極電流與結(jié)電壓將滿足(11)式。 三、實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)裝置由測(cè)試儀、樣品架、樣品室等單元組成，如下圖所示： （一）樣品架和樣品室 樣品架的結(jié)構(gòu)如圖所示，其中A為樣品室，是一個(gè)可卸的筒狀金屬容器，筒蓋內(nèi)設(shè)橡皮0圈蓋與筒套具相應(yīng)的螺紋可使用兩者旋緊保持密封，待測(cè)PN結(jié)樣管（采用3DG6晶體管的基極與集電極短接作為正級(jí)，發(fā)射極作為負(fù)極，構(gòu)成一只二極管）和測(cè)溫元件（AD590）均置于銅座B上，其管腳通過高溫導(dǎo)線分別穿過兩旁空芯細(xì)管與頂部插座P1連接。加熱器H裝在中心管的支座下，其

10、 發(fā)熱部位埋在銅座B的中心柱體內(nèi)，加熱電源的進(jìn)線由中心管上方的插孔P2引入，P2和引線（高溫導(dǎo)線）與容器絕緣，容器為電 源負(fù)端，通過插件P1的專用線與測(cè)試儀機(jī)殼相連接地，并將被測(cè) PN結(jié)的溫度和電壓信號(hào)輸入測(cè)試儀。如下圖所示： （二）測(cè)試儀 測(cè)試儀由恒流源、基準(zhǔn)電源和顯示等單元組成。恒流源有兩組，其中一組提供IF，電流輸出范圍為0-1000A連續(xù)可調(diào)，另一組 用于加熱，其控溫電流為0.1-1A，分為十檔，逐檔遞增或減0.1A，基準(zhǔn)電源亦分兩組，一組用于補(bǔ)償被測(cè)PN結(jié)在0或室溫TR時(shí)的 正向壓降VF（0）或VF（TR），可通過設(shè)置在面板上的“?V調(diào)零” 電位器實(shí)現(xiàn)?V=0，并滿足此時(shí)若升溫，?V

11、<0；若降溫，則?V>0，以表明正向壓降隨溫度升高而下降。另一組基準(zhǔn)電源用于溫標(biāo)轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)，因本實(shí)驗(yàn)采用AD590溫度傳感器測(cè)溫，其輸出電壓以1mV/k正比于絕對(duì)溫度，它的工作溫度范圍為218.2423.2k（即-55150），相輸出電壓為218.2423.2mV。要求配置412位的LED顯示器，為了簡化電路而又保持測(cè)量精度，設(shè)置了一組273.2mV（相當(dāng)于AD590在0時(shí)的輸出電壓）的基準(zhǔn)電壓，其目的是將上述的絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)。則對(duì)應(yīng)于-55150的工作溫區(qū)內(nèi)，輸給顯示單元的電壓為-55150mV。便可采用量程為200.0mV的31/2位LED顯示器進(jìn)行溫度測(cè)量。另一組量程

12、為1000mV的31/2位LED顯示器用于測(cè)量IF，VF和?V，可通過“測(cè) 量選擇”開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。 測(cè)量的框圖如下所示 DS為待測(cè)PN結(jié)：RS為IF的取樣電阻；開關(guān)k起測(cè)量選擇與 極性變換作用，其中R、P測(cè)IF；P、D測(cè)VF；S、P測(cè)?V。 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 （一）實(shí)驗(yàn)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(shí)針旋轉(zhuǎn)），查待測(cè)PN結(jié)管和測(cè)溫元件應(yīng)分放在銅座的左、右兩側(cè)圓孔內(nèi)，其管腳不與容器接觸，然后放好筒蓋內(nèi)的橡皮0圈，裝上筒套。 B 控溫電流開關(guān)應(yīng)放在“關(guān)”位置，此時(shí)加熱指示燈不亮。接上加熱電源線和信號(hào)傳輸線。兩者連線均為直插式，在連接信號(hào)線時(shí)，應(yīng)先對(duì)準(zhǔn)插頭與插座的凹凸定位

13、標(biāo)記，再按插頭的緊線夾部位，即可插入。而拆除時(shí)，應(yīng)拉插頭的可動(dòng)外套，決不可魯莽左右轉(zhuǎn)動(dòng)，或操作部位不對(duì)而硬拉，否則可能拉斷引線影響實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)儀器線路已接好，由老師演示，同學(xué)們無需再調(diào)。 （二）PN結(jié)正向壓降溫度特性 1、VF（O）或VF（TR）的測(cè)量和調(diào)零 將樣品室埋入盛有冰水（少量水）的杜瓦瓶中降溫，開啟測(cè)試儀電源（電源開關(guān)在機(jī)箱后面，電源插座內(nèi)裝保險(xiǎn)絲），預(yù)熱數(shù)分鐘后，將“測(cè)量選擇”開關(guān)（以下簡稱K）撥到IF，由“IF調(diào)節(jié)”使IF=50A，待溫度冷卻至0時(shí)，將K撥到VF，記下VF（0）值，再將K置于?V，由“?V調(diào)零”使?V=0。 本實(shí)驗(yàn)的起始溫度TS從室溫TR開始，只測(cè)Si管，按上述所

14、列 步驟，測(cè)量VF（TR）并使?V=0。 2、測(cè)定?VT曲線 開啟加熱電源（指示燈即亮），逐步提高加熱電流進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，并記錄對(duì)應(yīng)的?V和T，至于?V、T的數(shù)據(jù)測(cè)量，按?V每改變10 mV立即讀取一組?V、T，這樣可以減小測(cè)量誤差，直至 ?V=-180mV。應(yīng)該注意：在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，升溫速率要慢。且溫度不宜過高，最好控制在120左右。 3、求被測(cè)PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度S（mv/）。 作?VT曲線（使用Origin軟件工具），其斜率就是S。 4、估算被測(cè)PN結(jié)材料硅的禁帶寬度Eg(0)=qVg(0)電子伏。 根據(jù)（6）式，略去非線性，可得 Vg?VF(0)?VF(0)?T?VF(27

15、3.2)?S?T T ?T=-273.2K，即攝氏溫標(biāo)與凱爾文溫標(biāo)之差。將實(shí)驗(yàn)所得的Eg（0）與公認(rèn)值Eg（0）=1.21電子伏比較，求其誤差。 （三）PN結(jié)的正向伏安特性的研究【選作】 1、在室溫下，通過“IF調(diào)節(jié)”，觀察VF，每個(gè)10mV記錄VF和IF，直到IF接近或達(dá)到1000uA。 2、用作圖法求出玻爾茲曼常數(shù)。e為電子電量（1.602210-19C）。 五、思考題 1測(cè)VF（0）或VF（TR）的目的何在？為什么實(shí)驗(yàn)要求測(cè)?VT 曲線而不是VFT曲線。 2測(cè)?VT曲線為何按?V的變化讀取T，而不是按自變量T取?V。 附錄一、QS-J型PN結(jié)正向壓降溫度特性實(shí)驗(yàn)組合儀 QS-J型PN結(jié)正

16、向壓降溫度特性實(shí)驗(yàn)組合儀是了解集成電路溫度傳感器工作原理的關(guān)鍵物理實(shí)驗(yàn)，也是集電學(xué)和熱學(xué)為一體 的一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)儀器，適用于大專院校的普通物理實(shí)驗(yàn)和有關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。 儀器設(shè)計(jì)合理、性能優(yōu)異、讀數(shù)直觀、安全可靠，全套設(shè)備的實(shí)物照片如下。 它由測(cè)試儀和樣品室兩部分組成。有關(guān)測(cè)試儀的框圖和樣品室結(jié)構(gòu)，請(qǐng)見實(shí)驗(yàn)講義。 一、 主要技術(shù)指標(biāo) 1樣管工作電流：01000A，連續(xù)可調(diào)，分辨率為1A，負(fù)載穩(wěn)定度優(yōu)于10-3。 2溫度傳感器的測(cè)量誤差不大于0.5。 3電流、電壓和溫度的測(cè)量分別采用兩組31/2位LED顯示，精度不低于0.5%。 4加熱電流：0.11A，分十檔，逐檔遞增或減0.1A，最大輸出負(fù)載電壓15V。 二、 使用說明 1按實(shí)物照片組裝樣品架。 2將兩端帶插頭的四芯屏蔽電纜一端插入測(cè)試儀的“信號(hào)輸入”插座，另一端插入樣品室頂部插座。連接時(shí)，應(yīng)先將插頭與插座的凹凸定位部位對(duì)準(zhǔn)，再按插頭的緊線夾部位，便可插入；在拆除時(shí)，只要拉插頭的可動(dòng)外套部位即可，切勿扭轉(zhuǎn)或硬拉，以免斷線。打開電源開關(guān)（在機(jī)箱背后）,兩組顯示器既有指示，如發(fā)現(xiàn)數(shù)字亂跳或溢出（即首位顯示“1”，后三位不顯示），應(yīng)查信號(hào)耦合電纜插頭是否插好或電纜芯線有否折斷或脫焊和查待測(cè)PN結(jié)和測(cè)溫元件管腳是否與容器短路或引線脫落。 3將“測(cè)量選擇