PN結(jié)正向壓降與溫度特性的研究

1、PN 結(jié)正向壓降與溫度特性的研究 評(píng)分:時(shí)間： 9.18 Pb07025011 李雅箏指導(dǎo)老師： 郝老師、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解 PN 結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式。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 學(xué)習(xí)用 PN 結(jié)測(cè)溫的方法。、實(shí)驗(yàn)原理理想 PN 結(jié)的正向電流 IF 和壓降 V F存在如下近似關(guān)系IF Is exp( qV F )(1)F 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Is CT r exp

2、qVg (0)(2)kT（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k ckTrVF Vg(0)In TInT r V1 Vn1(3)q I Fq其中kcV1 Vg (0)In Tq I FVn1KT InT rPN 結(jié)溫度傳感器的基本方這就是 PN 結(jié)正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達(dá)式，它是程。令 IF=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) V 1外還包含式可得非線性項(xiàng) V n1

3、項(xiàng)所引起的線性誤差。設(shè)溫度由 T1變?yōu)?T時(shí)，正向電壓由 VF1變?yōu)?VF，由（ 3）VFVg (0)T kTVg(0) VF 11nqT1T1按理想的線性溫度影響，VF 應(yīng)取如下形式：VF理想VF1VTF1 (T T1)5）VTF1等于 T1溫度時(shí)的VF 值。由（3）式可得VF1Vg (0) VF16）所以V理想V F1Vg VF1T1T1 Vg (0)Vg (0)VF1T1k T T1 r ( 7) q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)線性的理論偏差為V理想kV Fr T T1qkqT Ln( TT ) rqT18）設(shè) T 1=300 °k，T=

4、310 °k，取 r=3.4*, 由（ 8）式可得 ?=0.048mV ，而相應(yīng)的 V F的改變量約 20mV ，相比之下誤差甚小。不過(guò)當(dāng)溫度變化范圍增大時(shí)，V F 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)原理圖三、實(shí)驗(yàn)方法與內(nèi)容1 VF（O）或 VF（ TR）的測(cè)量和調(diào)零本實(shí)驗(yàn)的起始溫度 TS從室溫 TR開始，只測(cè) Si 管，按上述所列步驟，測(cè)量 VF（ TR）并使 ?V=0。2

5、 測(cè)定?VT 曲線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）=qV g（0） 電子伏。根據(jù)（ 6）式，略去非線性，可 得VgVF (0)VF(0)TVF (273.2) SEg（ 0）與公認(rèn)值 Eg（ 0）? T=-273.2 K°，即攝氏溫標(biāo)與凱爾文溫標(biāo)之差。將實(shí)驗(yàn)所得的=1.21 電子伏比較，求其誤差。四、數(shù)據(jù)處理初始溫度 t 29.7有VF(29.7oC) 614mV I = 0 A1、 升溫過(guò)程控溫電流 A?V= V F(T)- VF(TS)

6、mvTT=(273.2+T) K°0.2-1035.5308.80.4-20400313.20.5-3044.8318.00.5-4049.9323.10.5-5055.0328.20.5-6060.0333.20.6-7065.2338.40.6-8070.4343.60.6-9075.5348.70.6-10080.5353.70.6-11085.6358.80.6-12090.5363.70.6-13095.6368.80.6-140100.0373.20.6-150104.4377.60.6-160109.3382.50.6-170114.3387.90.6-180119.2

7、392.82006-11-13 22:29 "/Graph1" (2454052)Linear Regression for Data1_B:Y = A + B * XParameter ValueErrorA601.565931.55025B-2.003480.00445RSD NP-0.999960.4885 18<0.0001靈敏度(斜率) S=-2.003 mv/k ；由Vg(0) VF(0) VF(0) T VF(273.2 26.6) S T ，S為斜率，T=0-(273.2+26.6 )K，代入數(shù)值，算得 Vg=1208.5mV又禁帶寬度 Eg(0)=q

8、Vg(0) ，q 為 1.6*10 -19C=1e 算得 Eg(0)=1.2085eV100% 0.124%相對(duì)誤差：Eg(0) 1.211.212、降溫過(guò)程 溫度最低 Ts=29.7 ?V (mV)T ( )-180119.0-170112.8-160109.9-150104.2-14098.8-13093.5-12089.8-11083.8-10078.5-9073.5-8068.8-7064.0-6059.0-5054.6-4048.9-3044.0-2039.4-1034.5；V F=614mV ；IF=50 ACLinear Fit of Data1 CT(oC)1801601401

9、2010080604020020 30 4050 6070 80 90 100降溫(mv)?V -T 圖：2006-11-13 22:50 "/Graph2" (2454052)Linear Regression for Data1_C:Y = A + B * XParameter Value ErrorA 594.85118 3.21675B -1.95607 0.0091R SD N P-0.99983 1.02331 18 <0.0001靈敏度(斜率) S=-1.956 mv/k ；VF (0)由Vg(0) VF(0) F T VF(273.2 30.4) S

10、T ， S為斜率，T=0-(273.2+30.4 )K，代入數(shù)值，算得 Vg=1193.8mV 又禁帶寬度Eg(0)=qVg(0) ，q 為 1.6*10 -19C=1e算得 Eg(0)=1.1938eV相對(duì)誤差：Eg(0) 1.21100% 0.967%1.21靈敏度：-2.24336mV /o C2.24mV/ oC (升溫)-2.20463mV /o C2.20mV/ oC (降溫)禁帶寬度：EgqVg (0)1.26eV升溫)4%|1.26-1.21|Eg (0) | 1.21 |Eg qVg (0) 1.25eV降溫)3%|1.25-1.21|Eg (0) | 1.21 |升溫和降溫的兩個(gè)過(guò)程所得到的禁帶寬度與標(biāo)稱值相當(dāng)接近。所測(cè)的靈敏度也相當(dāng)接近。六、誤差分析：這次實(shí)驗(yàn)的誤差主要來(lái)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(dǎo)致在 1mV 的范圍內(nèi)有多個(gè)溫度值。這時(shí)候，雖然默認(rèn)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(guò)程中，并非完全自然降溫。所以在人工降溫的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn) 銅塊上溫度分布不均勻的情況，即存在溫度計(jì)與PN 結(jié)的溫度不一致的可能。所以多了這一部分的誤差。此時(shí)應(yīng)該采均勻?qū)α鞯淖匀焕鋮s方法。七、思考題：1、 答：測(cè) VF（0）或 VF（TR）的目的在于求禁帶寬度。測(cè)量 ?VT 曲線而不是 VFT