PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：材物41 姓名：禇雨婷 學(xué)號(hào)：2140906001一、 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，測(cè)定PN結(jié)特性曲線及玻爾茲曼常數(shù)； （2）測(cè)繪PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的關(guān)系曲線，確定其靈敏度及PN結(jié)材料的禁帶寬度； （3）學(xué)會(huì)用PN結(jié)測(cè)量溫度的一般方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器SQ-J型PN結(jié)特性測(cè)試儀，三極管（3DG6），測(cè)溫元件，樣品支架等。三 、實(shí)驗(yàn)原理1PN結(jié)特性及玻爾茲曼常數(shù)k的測(cè)量：由半導(dǎo)體物理學(xué)中有關(guān)PN結(jié)的研究可以得出PN結(jié)的正向電流與正向電壓滿足以下關(guān)系 =（exp-1） 式中e為電子電荷量、k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，為

2、反向飽和電流，它是一個(gè)與PN結(jié)材料禁帶寬度及溫度等因素有關(guān)的系數(shù)，是不隨電壓變化的常數(shù)。由于在常溫（300K）下，kT/q=0.026,而PN結(jié)的正向壓降一般為零點(diǎn)幾伏,所以exp,1上式括號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)可以忽略不計(jì),于是有 這就是PN結(jié)正向電流與正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化的關(guān)系,若測(cè)得半導(dǎo)體PN結(jié)的關(guān)系值,則可利用上式以求出e/kT.在測(cè)得溫度T后,就可得到e/k常數(shù),將電子電量代入即可求得玻爾茲曼常數(shù)k。在實(shí)際測(cè)量中，二極管的正向關(guān)系雖能較好滿足指數(shù)關(guān)系，但求得的k值往往偏小，這是因?yàn)槎O管正向電流中不僅含有擴(kuò)散電流，還含有其它電流成份。如耗盡層復(fù)合電流.、表面電流等。在實(shí)驗(yàn)中,采用硅三極管來代

3、替硅二極管，復(fù)合電流主要在基極出現(xiàn)，三極管接成共基極線路（集電極與基極短接），集電極電流中不包含復(fù)合電流。若選取性能良好的硅三極管，使它處于較低的正向偏置狀態(tài)，則表面電流的影響可忽略。此時(shí)集電極電流與發(fā)射極基極電壓滿足式，可驗(yàn)證該式，求出準(zhǔn)確的e/k常數(shù)。2PN結(jié)材料禁帶寬度的測(cè)量：由物理學(xué)知，PN結(jié)材料禁帶寬度是絕對(duì)零度時(shí)PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂間的電勢(shì)差有如下關(guān)系 式中，r是常數(shù)，C是與結(jié)面積、摻雜濃度等有關(guān)的參數(shù)，將式代式后兩邊取對(duì)數(shù)得 其中 式即為PN結(jié)正向壓降、正向電流和溫度間的函數(shù)關(guān)系，它是PN結(jié)溫度傳感器工作的基本方程。若保持正向電流恒定即常數(shù)，則正向壓降只隨溫度變化，顯然，式

4、中除線性項(xiàng)外還含有非線性項(xiàng)，但可以證明當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)（對(duì)硅二極管來說，溫度范圍在-50-150）引起的誤差可忽略不記。因此在恒流供電條件下，PN結(jié)的正向壓降對(duì)環(huán)境溫度T的依賴關(guān)系主要取決于線性項(xiàng)，即PN結(jié)的正向壓降隨溫度升高而線性下降，這就是PN結(jié)測(cè)溫的依據(jù)。但必須指出，這一結(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。若溫度過高或過低（不在上述溫度范圍），則隨著雜質(zhì)電離因子減少或本征載流子迅速增加，關(guān)系的非線性變化將更為嚴(yán)重，說明特性還與PN結(jié)的材料有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，寬帶材料（如GaAs）構(gòu)成的PN結(jié)，其高溫端線性區(qū)寬，而材料（如Insb）雜質(zhì)電離能小的PN結(jié)，其低溫端的線性區(qū)寬

5、，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)，其線性度隨溫度的高低也有所不同，這是非線性項(xiàng)引起的。由式可以看出，減小，可以改善線性度，但這不能從根本上解決問題，目前行之有效的方法是利用對(duì)管的兩個(gè)be結(jié)（即三極管基極和集電極短路后與發(fā)射機(jī)組成一個(gè)PN結(jié)）分別在不同電流下工作，得到兩者電壓差與溫度間的線性關(guān)系：使之與單個(gè)PN結(jié)相比線性度與精度有所提高。將這種電路與恒流、放大等電路集成一體，便構(gòu)成集成電路傳感器。根據(jù)式，略去非線性，可得Vg = VF(0)+VF(0)T/T=VF(273.2)+S·T (5)T=-273.2ºK為攝氏溫標(biāo)與開爾文溫標(biāo)之差，S為正向壓降

6、隨溫度變化靈敏度。四 、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)用具由樣品架和測(cè)試儀兩部分構(gòu)成,樣品架結(jié)構(gòu)如圖所示,其中A為樣品室。待測(cè)樣品PN結(jié)管是將三極管3DG6的基極與集電極短接后作為正極,其發(fā)射極作為負(fù)極構(gòu)成的一只二極管，它和測(cè)溫元件(AD590)均置于銅座B上,待測(cè)PN結(jié)的溫度和電壓信號(hào)輸入測(cè)試儀。測(cè)試儀由恒流源，基準(zhǔn)電源和顯示單元等組成。測(cè)量電路的框圖如下圖所示。Ds待測(cè)的PN結(jié)。恒流源1提供If，電流輸出在01000A范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，恒流源2用于加熱，控溫電流為0.1-1A,分為十檔,每檔改變電流0.1A ?？筛鶕?jù)不同的升溫速度要求選擇檔位?；鶞?zhǔn)電源主要用于“V”的調(diào)零。 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)k

7、在一定溫度的條件下，測(cè)量的關(guān)系曲線，實(shí)驗(yàn)可在室溫下進(jìn)行。2.測(cè)量PN結(jié)材料禁帶寬度 將“測(cè)量選擇”開關(guān)K撥到If ，調(diào)節(jié)If =50A，將K撥到VF ，記下起始溫度TS 時(shí)的VF(TS)值，再將K置于V，調(diào)節(jié)使V=0。測(cè)定V-T關(guān)系曲線：打開電源開關(guān)，逐步提高加熱電流，測(cè)量V所對(duì)應(yīng)的T值，V每變化10mV記錄T的值。測(cè)量時(shí)應(yīng)注意，升溫速度不要太快，溫度不宜過高120ºC。六、數(shù)據(jù)記錄和處理1.求波爾茲曼常數(shù)k 室溫TR=19.2ºC表1 玻爾茲曼常數(shù)k的測(cè)量IF（A）01234VF（mV）378454507516526IF（A）56789VF（mV）530536541544

8、548IF（A）1020304050VF（mV）552569579586592IF（A）60708090100VF（mV）597601604607610用MATLAB將IF、VF數(shù)據(jù)按指數(shù)函數(shù)擬合出方程。代碼：I=1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;V=454 507 516 526 530 536 541 544 548 552 569 579 586 592 597 601 604 607 610;I=I/106;V=V/103;Cftool利用自帶擬合工具cftool進(jìn)行擬合。結(jié)果為：General model Exp1: f

9、(x) = a*exp(b*x)Coefficients (with 95% confidence bounds): a = 8.923e-014 (-3.335e-014, 2.118e-013) b = 34.1 (31.81, 36.38)Goodness of fit: SSE: 1.025e-010 R-square: 0.9949 Adjusted R-square: 0.9946 RMSE: 2.455e-006處理數(shù)據(jù)得：e/kT =34.1，則k測(cè)量值=1.6*10-19/(273.15+21.3)*34.1=1.33*10-23k真實(shí)值=Ek=|k -k真實(shí)值|/ =|1.

10、33-1.38|/1.38=3.6%2.測(cè)PN結(jié)硅材料的禁帶寬度起始溫度TS=19.3ºC，正向壓降VF（TS）=592mV，將測(cè)量的數(shù)據(jù)記入表2中。表2 禁帶寬度VE的測(cè)量V(mV)0102030405060708090100T（ºC）19.323.828.232.737.341.646.150.655.059.363.8用MATLAB作V-T關(guān)系曲線，求該直線的斜率S。代碼：dV=0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;T=19.3 23.8 28.2 32.7 37.3 41.6 46.1 50.6 55.0 59.3 63.8;Cftool

11、利用自帶擬合工具cftool進(jìn)行擬合。結(jié)果為：Linear model Poly1: f(x) = p1*x + p2Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = 2.247 (2.239, 2.256) p2 = -43.5 (-43.87, -43.13)Goodness of fit: SSE: 0.2731 R-square: 1 Adjusted R-square: 1 RMSE: 0.1742處理數(shù)據(jù)得：S=-2.247Vg(0)=VF(0)+VF(0)T/T=VF(273.2)+S*T=592-2.247（-273.2+19.3）=1162mV=1.16V則在室溫19.3下測(cè)得的PN結(jié)禁帶寬度：Eg(0)=eVg(0)=1.16eV七實(shí)驗(yàn)感受及收獲： 通過這次的實(shí)驗(yàn)，我了解了PN結(jié)正向電流和正向壓降之間按指數(shù)變化的規(guī)律