PN結正向壓降溫度特性的研究實驗報告

1、實驗題目：PN結正向壓降溫度特性的研究實驗目的：1）了解PN結正向壓降隨溫度變化的基本關系式。2）在恒流供電條件下，測繪PN結正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其 靈敏度和被測PN結材料的禁帶寬度。3）學習用PN結測溫的方法。實驗原理：理想PN結的正向電流If和壓降VF存在如下近似關系(1)其中q為電子電荷；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；Is為反向飽和電流，它是一個和PN結材料的禁帶寬度以及溫度等有關的系數(shù)，可以證明IsCT r exp qVg(0)kT(2)其中C是與結面積、摻質(zhì)濃度等有關的常數(shù)：r也是常數(shù)；Vg（0）為絕對 零度時PN結材料的導帶底和價帶頂?shù)碾妱莶睢ⅲ?）式代入（1）式

2、，兩邊取對數(shù)可得k ckTVf Vg （0）In TInTr 7、 VM（ 3）q Ifq其中這就是PN結正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達式。令 I f二常數(shù)，則正 向壓降只隨溫度而變化，但是在方程（3）中，除線性項Vi外還包含非線性 項Vn1項所引起的線性誤差。設溫度由Ti變?yōu)門時，正向電壓由W變?yōu)橛桑?）式可得(4)TkTTVf Vg (0)Vg(0) Vfiin -TiqTi按理想的線性溫度影響，VF應取如下形式:Ti)Vf理想V F1(5)VfT1等于T溫度時的由( 3)式可得VF 1TVg(0)VfiTi(6)所以V理想VfiVg VfikrTiqT TiVg(0) Vg(0)VF1

3、 TTl由理想線性溫度響應（7）式和實際響應（4）式相比較，可得實際響應理 論 偏 差 為V理想V F-r T T1 qkTL n(”qTi(8)設 Ti=300° k，T=310° k，取r二*,由（8）式可得二，而相應的VF的改變量約20mV相比之下誤差甚小。不過當溫度變化范圍增大時，“溫度響應的 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，正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降, 可以改善線性度的方法大致有兩種:卜睥區(qū)審A禪從序D-fl JIPAtaT-ff元仟PH）、Tim#I'.-inwsI'：-1D4電拖吐系，即 Vfi

4、Vf2 kTIn*q 1F21、對管的兩個be結分別在不同電流Ifi, If2下工作,由此獲得兩者電壓之差（W- V F2）與溫度成線性函數(shù)關由于晶體管的參數(shù)有一定的離散性，實際與理論仍存在 差距，但與單個PN結相比其線性度與精度均有所提高2、利用函數(shù)發(fā)生器，使I F比例于絕對溫度的r次方，則V T的線性理論誤差為=0。四、實驗裝置實驗系統(tǒng)由樣品架和測試儀兩部分組成。 樣品架的結構如圖所示，其中A為樣品室，是一個可卸的筒狀金屬容器，筒蓋內(nèi)設橡皮0圈蓋與筒套具相應的螺紋可使用兩者旋緊保持密封，待測 PN結樣管（采用3DG6晶體管的基極與集電極短接作為正級，發(fā)射極作為負極，構成一只二極管）和測溫元

5、件（AD590均置于銅座B上，其管腳通過高溫導線分別穿過兩 旁空芯細管與頂部插座Pi連接。加熱器H裝在中心管的支座下，其發(fā)熱部位埋在銅座B的中心柱體內(nèi)，加熱電源的進線由中心管上方的插孔P2引入，P2和引線（高溫導線）與容器絕緣，容器為電源負端，通過插件P的專用線與測試儀機殼相連接地，并將被測 PN結的溫度和電壓信號輸 入測試儀。測試儀由恒流源、基準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0-1000卩A連續(xù)可調(diào)，另一組用 于加熱，其控溫電流為，分為十檔，逐檔遞增或減，基準電源亦分兩組， 一組用于補償被測PN結在0C或室溫Tr時的正向壓降Vf （0）或W（Tr）, 可

6、通過設置在面板上的“ V調(diào)零”電位器實現(xiàn)V=0,并滿足此時若升溫，V<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 電源用于溫標轉換和校準，因本實驗采用AD590溫度傳感器測溫，其輸出電壓以1mV/ k正比于絕對溫度，它的工作溫度范圍為一°k (即-55150C),相輸出電壓為一。要求配置 412位的LED顯示器，為了簡化 電路而又保持測量精度，設置了一組(相當于AD590在 0C時的輸出電壓) 的基準電壓，其目的是將上述的絕對溫標轉換成攝氏溫標。則對應于 -55 150C的工作溫區(qū)內(nèi)，輸給顯示單元的電壓為-55 150mV便可采用量 程為士的31/2位

7、LED顯示器進行溫度測量。另一組量程為士 1000mV的 31/2位LED顯示器用于測量I f, “和V,可通過“測量選擇”開關來實 現(xiàn)。實驗步驟：1) 打開測試儀電源，將開關K撥到If,由“If調(diào)節(jié)”使If=50 A。2) 將K撥到“，記下初始溫度T和對應W (0)的值。將K置于V,由“ V 調(diào)零”使 V=0。3) 開啟加熱電源，逐步提高加熱電流，當 V每改變10 mV讀取一組V、T, 記錄 18組實驗數(shù)據(jù)。4) 關閉加熱電流，在降溫條件下重復上述操作，記錄數(shù)據(jù)。5) 整理實驗儀器。數(shù)據(jù)處理與誤差分析：實驗測量數(shù)據(jù)如下：實驗起始溫度Ts=C工作電流I f=50 A起始溫度為Ts時的正向壓降V

8、f ( Ts) =609mVV/mv升溫過程TC降溫過程TC-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-110-120-130-140-150-160-170-180表一：實驗數(shù)據(jù)表利用ORINGIN將升溫和降溫過程分別作圖： 升溫過程 V-T曲線: V-T曲線圖像數(shù)據(jù)降溫過程AVT曲線：VT曲線圖像數(shù)據(jù)由上圖數(shù)據(jù)可知：升溫時 V T 曲線的斜率為，其誤差為，而相關系數(shù)為降溫時 V T 曲線的斜率為，其誤差為，而相關系數(shù)為 兩次所作圖像的相關系數(shù)都非常接近1，說明數(shù)據(jù)較好。在升溫過程中PN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度S=± mV/C禁帶寬度 E g(TS)=Vgv

9、 VF (TS) S T 0.609 ( 2.36628) ( 273.2)/1000V 1.255V 與公認值比較有在降溫過程中PN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度S=± mV/C禁帶寬度 E g(TS)=Vgv VF (TS) S T 0.609 ( 2.36247) ( 273.2) /1000V 1.254V 與公認值比較有誤差分析： 升溫和降溫過程得到的靈敏度、禁帶寬度很接近，但由于實驗過程中溫度變化比較快，不能準確記錄溫度， 使得禁帶寬度與公認值差距較大，同時溫度的測量精度比較低也增大了誤差。思考題：1. 測W (0)或W (Tr)的目的何在為什么實驗要求測 V-T曲線而不是VFT 曲線 答：測量VF (0)或V