大學(xué)物理實驗PN結(jié)正向壓降與溫度特性的研究實驗報告(完整)

1、PN結(jié)正向壓降與溫度特性的研究一、實驗?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PN結(jié)材料的禁帶寬度。3 學(xué)習(xí)用PN結(jié)測溫的方法。二、實驗原理理想PN結(jié)的正向電流IF和壓降VF存在如下近似關(guān)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(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)的系數(shù)，可以證明 （2）（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)為絕對零度時PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)碾妱莶?/p>

2、。將（2）式代入（1）式，兩邊取對數(shù)可得 （3）其中這就是PN結(jié)正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達式，它是PN結(jié)溫度傳感器的基本方程。令I(lǐng)F=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V1外還包含非線性項Vn1項所引起的線性誤差。設(shè)溫度由T1變?yōu)門時，正向電壓由VF1變?yōu)閂F，由（3）式可得 （4）按理想的線性溫度影響，VF應(yīng)取如下形式： （5）等于T1溫度時的值。由（3）式可得 （6）所以 （7）由理想線性溫度響應(yīng)（7）式和實際響應(yīng)（4）式相比較，可得實際響應(yīng)對線性的理論偏差為 （8）設(shè)T1=300°k，T=310°k，取r=3.4*,由（8）式可得=0.

3、048mV，而相應(yīng)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，VF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T的依賴關(guān)系取決于線性項V1，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是PN結(jié)測溫的依據(jù)。必須指出，上述結(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(對于通常的硅二極管來說，溫度范圍約-50150)。如果溫度低于或高于上述范圍時，由于雜質(zhì)電離因子減小或本征載流子迅速增加；VFT關(guān)系將產(chǎn)生新的非線性，這一現(xiàn)象說明VFT的特性還隨PN結(jié)的材料而異，對于寬帶材料（如GaAs）的PN結(jié)，其高溫端的線性區(qū)則寬；

4、而材料雜質(zhì)電離能小（如Insb）的PN結(jié)，則低溫端的線性范圍寬，對于給定的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)，其線性度亦隨溫度的高低而有所不同，這是非線性項Vn1引起的，由Vn1對T的二階導(dǎo)數(shù)的變化與T成反比，所以VF-T的線性度在高溫端優(yōu)于低溫端，這是PN結(jié)溫度傳感器的普遍規(guī)律。此外，由（4）式可知，減小IF，可以改善線性度，但并不能從根本上解決問題，目前行之有效的方法大致有兩種：1、對管的兩個be結(jié)（將三極管的基極與集電極短路與發(fā)射極組成一個PN結(jié)），分別在不同電流IF1，IF2下工作，由此獲得兩者電壓之差（VF1- VF2）與溫度成線性函數(shù)關(guān)系，即由于晶體管的參數(shù)有一定的離散性

5、，實際與理論仍存在差距，但與單個PN結(jié)相比其線性度與精度均有所提高，這種電路結(jié)構(gòu)與恒流、放大等電路集成一體，便構(gòu)成集成電路溫度傳感器。1 Okira Ohte等人提出的采用電流函數(shù)發(fā)生器來消除非線性誤差。由（3）式可知，非線性誤差來自Tr項，利用函數(shù)發(fā)生器，使IF比例于絕對溫度的r次方，則VFT的線性理論誤差為=0，實驗結(jié)果與理論值頗為一致，其精度可達0.01。三、實驗方法與內(nèi)容1 實驗系統(tǒng)檢查與連接A 取下樣品室的簡套（左手扶筒蓋，右手扶筒套順時針旋轉(zhuǎn)），查待測PN結(jié)管和測溫元件應(yīng)分放在銅座的左、右兩側(cè)圓孔內(nèi)，其管腳不與容器接觸，然后放好筒蓋內(nèi)的橡皮0圈，裝上筒套。0圈的作用是當樣品室在冰水

6、中進行降溫時，以防止冰水滲入室內(nèi)。B 控溫電流開關(guān)應(yīng)放在“關(guān)”位置，此時加熱指示燈不亮。接上加熱電源線和信號傳輸線。兩者連線均為直插式，在連接信號線時，應(yīng)先對準插頭與插座的凹凸定位標記，再按插頭的緊線夾部位，即可插入。而拆除時，應(yīng)拉插頭的可動外套，決不可魯莽左右轉(zhuǎn)動，或操作部位不對而硬拉，否則可能拉斷引線影響實驗。實驗儀器線路已接好，由老師演示，同學(xué)們無需再調(diào)。2 VF（O）或VF（TR）的測量和調(diào)零將樣品室埋入盛有冰水（少量水）的杜瓦瓶中降溫，開啟測試儀電源（電源開關(guān)在機箱后面，電源插座內(nèi)裝保險絲），預(yù)熱數(shù)分鐘后，將“測量選擇”開關(guān)（以下簡稱K）撥到IF，由“IF調(diào)節(jié)”使IF=50A，待溫度

7、冷卻至0時，將K撥到VF，記下VF（0）值，再將K置于V，由“V調(diào)零”使V=0。本實驗的起始溫度TS從室溫TR開始，只測Si管，按上述所列步驟，測量VF（TR）并使V=0。3 測定VT曲線取走冰瓶，開啟加熱電源（指示燈即亮），逐步提高加熱電流進行變溫實驗，并記錄對應(yīng)的V和T，至于V、T的數(shù)據(jù)測量，可按V每改變10或15mV立即讀取一組V、T，這樣可以減小測量誤差。應(yīng)該注意：在整個實驗過程中，升溫速率要慢。且溫度不宜過高，最好控制在120左右。4 求被測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。5 估算被測PN結(jié)材料硅的禁帶寬度Eg(0)

8、=qVg(0)電子伏。根據(jù)（6）式，略去非線性，可得 T=-273.2°K，即攝氏溫標與凱爾文溫標之差。將實驗所得的Eg（0）與公認值Eg（0）=1.21電子伏比較，求其誤差。四、數(shù)據(jù)處理初識溫度有加溫電流0.3A-1025.31097.5-2029.92094.7-3034.23088.2-4038.54083.9-5042.95080.6-6047.36074.2-7051.77070.2-8056.38066.2-9060.89061.4-10065.210057.4-11069.711052.2-12074.212048.6-13078.713043.1-14083.1140

9、39.5-15087.615034.6-1609216029.7-17096.617025.1-180101.1升溫：Y = A + B * XParameterValueError-A46.468940.18884B-2.243360.00281-RSDNP-0.999990.2758518<0.0001靈敏度由圖線可知，與公認值比較，相對誤差為0.05eV降溫Y = A + B * XParameterValueError-A225.792240.96927B-2.204630.0148-RSDNP-0.999661.3558217<0.0001-靈敏度由圖線可知與公認值比較，相對誤差為0.04eV五、結(jié)果分析：靈敏度：（升溫）（降溫）禁帶寬度：（升溫）（降溫）升溫和降溫的兩個過程所得到的禁帶寬度與標稱值相當接近。所測的靈敏度也相當接近。六、誤差分析：這次實驗的誤差主要來源有：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)有多個溫度值。這時候，雖然默認選取第一瞬間的值，但誤差仍然存在。2、 操作誤差。由于在降溫的過程中，并非完全自然降溫。所以在人工降溫的過程中會出現(xiàn)銅塊上溫度分布不均勻的情況，即存在溫度計與PN結(jié)的溫度不一致的可能。所以多了這一部分的