pn結(jié)正向壓降溫度特性研究

1、pn結(jié)正向壓降溫度特性研究【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解pn結(jié)止向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式.2、在恒定正向電流下，測繪pn結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確 定其靈敏度.3、學(xué)習(xí)用pn結(jié)測溫的方法.【實(shí)驗(yàn)儀器】1、dh-pn-1型pn結(jié)止向壓降溫度特性實(shí)驗(yàn)儀【實(shí)驗(yàn)原理】1> pn 結(jié)在一塊完整的硅或錯(cuò)上用不同的工藝摻入雜質(zhì)，使得其一半成為p型 半導(dǎo)體，而另一半成為n型半導(dǎo)體，那么，在這兩種半導(dǎo)體的交界處就會(huì)形成 pn結(jié).在p型與n型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于p型半導(dǎo)體具有較高濃度的空穴，而 n型半導(dǎo)體具有較高濃度的自由電子，在他們交界處的兩邊就出現(xiàn)了電子 與空穴的濃度差別從而，電子與空穴都要朝著較低濃度

2、的方向擴(kuò)散這種擴(kuò) 散作用，使得在p、n交界處之間形成了具有一定大小的擴(kuò)散電流.另一方面，由于p型半導(dǎo)體中空穴的流失，使得p型半導(dǎo)體中留下了一 定量帶負(fù)電的離子;而n型半導(dǎo)體中由于電子的流失/吏得其屮留下了一定 量的正離子由于正負(fù)電荷之間的相互作用,使得在交界薄膜中形成了從n型半 導(dǎo)休指向p型半導(dǎo)體的空間電場而空間電場的形成使得一部分的空穴與電子沿與擴(kuò)散相反的方向運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流.空穴與自由電子的擴(kuò)散使得空間電場增強(qiáng)，而空間電場的增強(qiáng)卻又抑制空穴與電子的擴(kuò)散，從而，在一段時(shí)間之后，擴(kuò)散電流將與漂移電流達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡而在p型與n型半導(dǎo)體 的兩側(cè)則會(huì)留下不能自由移動(dòng)的離子薄層，而這個(gè)離子薄層 在p、

3、n半導(dǎo)體交界血附近所構(gòu)成的過渡區(qū)(空間電荷區(qū))，圖1 pn結(jié)即稱為pn結(jié).2、pn結(jié)的正向壓降溫度特性根據(jù)pn結(jié)理論,pn結(jié)的伏安特性可表達(dá)如下：?quf?(1-1) if?io?e?l?式中if為通過pn結(jié)的正向電流'uf為其正向電壓,10為反向飽和電流; q為電子的電荷量t為絕對(duì)溫度k?1.38?10?23j/k是玻爾茲曼常量當(dāng)正向電 壓uf?0.1v時(shí),equf?e3.9?501z故上式可近似為if?ioe由式(1-2)得quf(1-lnlf?l nioequfqu?lnlf?lnlo?f又io?bte?quglnlf?ln bt?q?uf?ug? (1-3) btuf?ug?k

4、t?ln?f?式(1-3)即為pn結(jié)兩端正向電壓與其溫度、通過電流z間的關(guān)系. 英中，ug為0k時(shí)材料的導(dǎo)帶底與價(jià)帶?頂間的電勢差,b是與溫度無關(guān)的實(shí)驗(yàn)常數(shù),t是與溫度有關(guān)的函數(shù) 項(xiàng),？為與熱激發(fā)所引起的電子遷移率有關(guān)的系數(shù).取if為一常數(shù)，則(13)式轉(zhuǎn)化為通過pn結(jié)的電壓uf與pn結(jié)溫度t 之間的關(guān)系.對(duì)uf取一階導(dǎo)數(shù)，得?duf?k?ln盯？(1-4) ?f?dtduf即代表了 uf?t圖線的斜率，由(1-4)可以看出，斜率為負(fù),uf隨溫 度t的上升而下降.dt對(duì)uf取二階導(dǎo)數(shù)，得d2ufk?(1-5) 2dt其中，k?1.38?10?23 q?1.60?10?19z??？3.4；t?29

5、315 得， d2ufk?6?1.0?10?0 2dt即，uf?t圖線的斜率可近似認(rèn)為一常數(shù),uf?t可近似認(rèn)為是一條直線. 根據(jù)(1-3)式?u?ktln?ktlnt?(1-6) btuf?ug?kt?ln?g?f?f?設(shè)'溫度為t1時(shí)，電勢差為u1ul?ug?ktllnf?ktllntl?乂ug?uf?ktln?ktlnt? f?ktltl?ul?ug?ug?uf(1-7)in?得由上推導(dǎo)可知，uf應(yīng)與t呈線性關(guān)系，故設(shè)?t1u?t1?uf?t?u?uf?uf?(g?uf?uft1?t? ?k?)?tl?t?ug?uf?tl?k?tl?t?(1-8)k?令u?u?tl?ul?tl?

6、t?ktm?ln?(1-9)?設(shè)t?300k、t1?31ok,取?3.4可得u?0.048mv,而相應(yīng)的正向壓降則改 變了 20mv,差值約為417倍湘比之下，誤差甚小.不過當(dāng)溫度變化過大之后 uf?t圖線的線性誤差將有所遞增.由于uf與t呈很好的線性相關(guān)性，故 可利用uf的細(xì)微變化來測量當(dāng)前環(huán)境的溫度這也是溫敏二極管測溫的基 本原理.【實(shí)驗(yàn)步驟】1、打開pn結(jié)正向壓降溫度特性實(shí)驗(yàn)儀并調(diào)節(jié)加熱電流值為零,記錄起 始溫度.2、將“測量選擇”開關(guān)調(diào)節(jié)到if檔，調(diào)節(jié)if旋鈕，使得面板上if的值 為零.3、將“測量選擇”開關(guān)調(diào)節(jié)到uf檔，記下初始時(shí)的uf值.4、將“測量選擇”開關(guān)調(diào)節(jié)到u,調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕

7、，使得u?0.5、調(diào)節(jié)加熱電流為0.500a,并記錄所對(duì)應(yīng)的u和t值當(dāng)u每改變10mv 時(shí)記錄一次t值直到pn結(jié)溫度達(dá)到大約100°c為止.6、畫出u?t圖像，并求被測pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度s?mv/°c?. 8、估算被測pn結(jié)材料的禁帶寬度eg?qug.9、實(shí)驗(yàn)結(jié)束，收拾儀器.注意事項(xiàng)1、加熱裝置的溫升不應(yīng)超過120°c,長期的過熱使用，將造成接線老化, 甚至脫焊.2、加熱電流不應(yīng)大于0.500a,若長期使加熱電流過大，會(huì)使得儀器未來 的加熱效率變低3、使用完畢后即應(yīng)切斷電源,以避免長時(shí)間加熱引起的安 全事故.【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理】表一：ut測量數(shù)據(jù)其中,初

8、始正向電壓u0?667mv.【數(shù)據(jù)處理過程及結(jié)論】數(shù)據(jù)處理1、根據(jù)數(shù)據(jù)，畫出u?t圖像如下detut2通過線性擬合，得到 u?2.03t?37.75,r?0.999952、由u?2.03t?37.75得到被測pn結(jié)止向壓降隨溫度變化的靈敏度為: s?2.03mv/°c. 3、被測pn結(jié)材料的禁帶寬度eg?qug?q?uo?st?q667?2.03?(18.2?273.15) ?1.26ev實(shí)驗(yàn)結(jié)論k通過本次實(shí)驗(yàn)，測得pn結(jié)兩端止向電壓與其上的溫度變 化呈很好地線性關(guān)系判斷是因?yàn)闇囟壬邔?dǎo)致p、n型半導(dǎo)體更容易激發(fā) 出空穴與自由電子加正向電壓時(shí)，由于載流子濃度的上升，使得漂移作用更 加明顯，pn結(jié)的導(dǎo)電能力增強(qiáng)宏觀上表現(xiàn)為pn結(jié)的電阻降低，故在相同的正 向電流if下，溫度上升將導(dǎo)致pn結(jié)的正向電壓uf下降故以此推測:由于在溫度過高的情況下,pn結(jié)內(nèi)載流 子濃度的迅速增加（溫度上升，使得空穴與自由電子的運(yùn)動(dòng)速度上升，在一 定程度后，它們將有足夠的能量撞擊半導(dǎo)體分子，使得共價(jià)鍵被破壞，逸出更 多的電子兒這將導(dǎo)致pn結(jié)的正電壓迅速下降，故原理中的線性推導(dǎo)在溫度 過