實(shí)驗(yàn)41 PN結(jié)正向壓降溫度特性研究new

1、實(shí)驗(yàn)4.1 PN結(jié)正向電壓溫度特性研究 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?n1.測(cè)量同一溫度下PN結(jié)正向電壓隨正向電流 變化關(guān)系 n2.測(cè)量恒流條件下PN結(jié)正向壓降隨溫度變化 的曲線(xiàn) n3.確定PN結(jié)的測(cè)溫靈敏度和被測(cè)PN結(jié)材料的 禁帶寬度。 實(shí)驗(yàn)原理 n1PN結(jié)溫度傳感器的基本方程 11)0(ln)ln(n r F gFVVT q kT T I C q k VV 其中 r n F g T q KT V T I c q k VV ln ln)0( 1 1 實(shí)驗(yàn)原理 r nT q kT Vln1 盡管方程中 是非線(xiàn) 性項(xiàng)，但是實(shí) 驗(yàn)和理論證明，在溫度變化范圍不大時(shí)，VF溫度響 應(yīng)的非線(xiàn)性誤差可以忽略不計(jì)。（對(duì)于

2、通常的硅 PN結(jié)材料，這個(gè)溫度區(qū)間為-50150 。） uPN結(jié)溫度傳感器的基本方程即為 T I C q k VV F gF)ln()0( n2PN結(jié)測(cè)溫原理 實(shí)驗(yàn)原理 T I C q k VV F gF)ln()0( u對(duì)給定的PN結(jié)材料，若正向電流恒定不變，在允許 的溫度變化區(qū)間內(nèi)，PN結(jié)的正向電壓與溫度成線(xiàn)性 關(guān)系，且正向電壓隨溫度的升高而線(xiàn)性下降。 u只要測(cè)出正向電壓的大小，就可得知此時(shí)的溫度， 這就是PN結(jié)測(cè)溫的依據(jù)。 u若溫度保持不變，則可以測(cè)量出PN結(jié)的正向電壓與 正向電流間的變化關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)原理 n3PN結(jié)溫度傳感器靈敏度和禁帶寬度 FI C q k Sln 為PN結(jié)溫度傳感器

3、靈敏度 STVT I C q k VVg F gF)0()0()ln( u通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得VF - T關(guān)系曲線(xiàn)，其斜率即為靈敏度S， 為截距。 )0(gV 實(shí)驗(yàn)原理 uPN結(jié)材料的禁帶寬度Eg(0)定義為電子的電量q與熱力 學(xué)溫度0K時(shí)PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差 Vg(0)的乘積，即 u由前面的式子可以得到 u所以 STVqqVEFgg)0()0( )0()0(ggqVE STVVFg)0( 實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與數(shù)據(jù)處理要求 n1同一溫度下，測(cè)量正向電壓隨正向電流的變化關(guān)系， 繪制伏安特性曲線(xiàn)； n2 保持正向電流不變，測(cè)繪PN結(jié)正向壓降隨溫度的變化 曲線(xiàn)； n3 計(jì)算

4、PN結(jié)靈敏度S，估算被測(cè)PN結(jié)材料的禁帶寬度,并 與理論值（1.2eV）比較，算出其相對(duì)誤差。 n建議用Excel處理數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)步驟 n實(shí)驗(yàn)前，將溫度傳感器“加熱電流、 “風(fēng)扇電 流”開(kāi)關(guān)置“關(guān)”位置，接上加熱電源線(xiàn)。 n插好Pt100溫度傳感器和PN結(jié)溫度傳感器， PN結(jié)引出線(xiàn)分別插入PN結(jié)正向特性綜合試 驗(yàn)儀上的+V、-V和+I、-I。（插頭的顏色和 插孔對(duì)應(yīng)）。 n儀器通電預(yù)熱10min。 n1.測(cè)量同一溫度下，正向電流與正向電壓的變 化關(guān)系， 首先將實(shí)驗(yàn)儀上的電流量程置于“1”檔， 調(diào)整電流調(diào)節(jié)旋鈕，記錄對(duì)應(yīng)的VF值的讀數(shù)?？梢园?照表1的VF值來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)定電流值，如果電流表顯示值 到

5、達(dá)“1000”，可以改用大一檔量程，記錄下一系 列電壓、電流值于表1。 根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制PN結(jié)的伏安特性曲線(xiàn)。 n2 保持正向電流IF =80A，測(cè)出PN結(jié)正向 壓降隨溫度的變化曲線(xiàn)； VF/V0.3500.3600.3700.3800.3900.4000.4100.420 IF/A VF/V0.4300.4400.4500.4600.4700.4800.4900.500 IF/A VF/V0.5100.5200.5300.5400.5500.5600.5700.580 IF/A 先做的同學(xué)先做的同學(xué) u先測(cè)室溫時(shí)先測(cè)室溫時(shí)，正向電壓隨正向電流的變化關(guān)系，正向電壓隨正向電流的變化關(guān)系 l

6、按上表調(diào)整按上表調(diào)整PN結(jié)實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)實(shí)驗(yàn)儀的正向正向電流調(diào)節(jié)旋鈕，電流調(diào)節(jié)旋鈕，設(shè)置設(shè)置VF值值，再記錄電流值。，再記錄電流值。 l正向正向電流表顯示值電流表顯示值超過(guò)超過(guò)“1000”，要要改用大一檔量程改用大一檔量程，IF=顯示值顯示值*量程。量程。 u再測(cè)再測(cè)正向電流正向電流恒定時(shí)恒定時(shí)，正向電壓隨，正向電壓隨溫度溫度的變化關(guān)系的變化關(guān)系 t/oC30.035.040.045.050.055.060.065.070.075.0 VF/V l調(diào)整正向電流調(diào)整正向電流IF =80A，設(shè)置溫度約為，設(shè)置溫度約為103 oC， l打開(kāi)溫控儀加熱電流，并調(diào)整到合適值，使溫度緩慢上升，記錄打開(kāi)溫控儀加

7、熱電流，并調(diào)整到合適值，使溫度緩慢上升，記錄VF。 l切記測(cè)量結(jié)束，不要關(guān)閉加熱電流，留待后面的同學(xué)使用切記測(cè)量結(jié)束，不要關(guān)閉加熱電流，留待后面的同學(xué)使用。 后做的同學(xué)后做的同學(xué) u先測(cè)先測(cè)正向電流正向電流恒定時(shí)恒定時(shí)，正向電壓隨，正向電壓隨溫度溫度的變化關(guān)系的變化關(guān)系 l按上表調(diào)整按上表調(diào)整PN結(jié)實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)實(shí)驗(yàn)儀的正向正向電流調(diào)節(jié)旋鈕，電流調(diào)節(jié)旋鈕，設(shè)置設(shè)置VF值值，再記錄電流值。，再記錄電流值。 l正向正向電流表顯示值電流表顯示值超過(guò)超過(guò)“1000”，要要改用大一檔量程改用大一檔量程，IF=顯示值顯示值*量程。量程。 u再測(cè)再測(cè)55度時(shí)度時(shí)，正向電壓隨正向電流的變化關(guān)系，正向電壓隨正向電流

8、的變化關(guān)系 t/oC100. 0 95.090.085.080.075.070.065.060.055.0 VF/V l調(diào)整正向電流調(diào)整正向電流IF =80A，設(shè)置溫度約為，設(shè)置溫度約為55 oC， l關(guān)閉加熱電流，必要時(shí)打開(kāi)風(fēng)扇開(kāi)關(guān)，使溫度下降，記錄關(guān)閉加熱電流，必要時(shí)打開(kāi)風(fēng)扇開(kāi)關(guān)，使溫度下降，記錄VF。 VF/V 0.240 0.250 0.260 0.270 0.280 0.290 0.300 0.310 0.320 0.330 0.340 IF/A VF/V 0.350 0.360 0.370 0.380 0.390 0.400 0.410 0.420 0.430 0.440 0.45

9、0 IF/A 數(shù)據(jù)處理 l方法一： 1.作VF t曲線(xiàn)(t橫坐標(biāo)， VF縱坐標(biāo))。用兩點(diǎn)法求斜率。 （S=VF/ t，在曲線(xiàn)上任取兩點(diǎn)，最好不是實(shí)驗(yàn)點(diǎn)） 2.計(jì)算Vg(0) 3.計(jì)算Eg(0) 及相對(duì)誤差（V VF F(t)(t)是溫度是溫度t t時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)對(duì)應(yīng)的VF ） l方法二： 1.作VF T曲線(xiàn)（ T=t +273.2）。用兩點(diǎn)法求斜率S，截矩。 2.Vg(0)=截矩截矩； 3.計(jì)算Eg(0) 及相對(duì)誤差 l可用 Excel處理數(shù)據(jù) )2 .273()( 0 tStVV F)g( )2 .273()0()0(tSVqqVEFgg 注意事項(xiàng) n1、開(kāi)機(jī)前先將控溫電流逆時(shí)針旋到底。 n2、

10、實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要先預(yù)熱至少十分鐘。 n3、加熱時(shí)，升溫速度要慢。 n4、用直角坐標(biāo)紙作圖，并注明圖線(xiàn)的相 關(guān)部分。 n5、數(shù)據(jù)處理應(yīng)該有過(guò)程，單位，不能只 寫(xiě)出結(jié)果。 n導(dǎo)帶：由自由電子形成的能量空間。 n 在絕對(duì)零度溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶(valence band)是滿(mǎn)帶(見(jiàn)能帶理論)，受到光電注入或熱激 發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過(guò)禁帶 (forbidden band/band gap)進(jìn)入能量較高的空 帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶 n價(jià)帶：半導(dǎo)體或絕緣體中，在0K時(shí)能被電子占滿(mǎn)的 最高能帶。 n對(duì)半導(dǎo)體而言，此能帶中的能級(jí)基本上是連續(xù)的。全 充滿(mǎn)的能帶中的電子不能在固體中自由運(yùn)動(dòng)。但若該 電子

11、受到光照，它可吸收足夠能量而跳入下一個(gè)容許 的最高能區(qū)，從而使價(jià)帶變成部分充填，此時(shí)價(jià)帶中 留下的電子可在固體中自由運(yùn)動(dòng)。價(jià)帶中電子的自由 運(yùn)動(dòng)對(duì)于與晶體管有關(guān)的現(xiàn)象是很重要的。 被價(jià)電子 占據(jù)的允帶（低溫下通常被價(jià)電子占滿(mǎn)）。 n根據(jù)能帶理論，固體中運(yùn)動(dòng)電子的能量譜值由一系列準(zhǔn)連續(xù)的具 有一定寬度的能帶（band）組成，兩個(gè)相鄰的能帶之間的區(qū)域因 不能被電子占據(jù)而被稱(chēng)為禁帶禁帶（band gap）。 金屬都有著被電子部分占據(jù)的寬能帶，即導(dǎo)帶導(dǎo)帶（conduction band），其中的電子填充情況容易因電場(chǎng)作用而改變，因此表現(xiàn) 出良好的導(dǎo)電性。對(duì)絕緣體或半導(dǎo)體而言，能帶系列則全被電子 恰好填滿(mǎn)，其中最高的滿(mǎn)帶稱(chēng)為價(jià)帶價(jià)帶（valence band），價(jià)帶之 上經(jīng)過(guò)一定寬度的禁帶過(guò)渡才是空著的導(dǎo)帶。 絕緣體的過(guò)渡禁帶很寬，電場(chǎng)或光子很難改變其能帶填充情況， 因而不能產(chǎn)