PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)題目：PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?)了解PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式。2)在恒流供電條彳下，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Vf存在如下近似關(guān)系If=Isexp(-)(1)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rqVgIs=CTrexpg(2)kT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

2、代入(1)式，兩邊取對(duì)數(shù)可得'kc1kTrVf=Vg(0)-InT-InTr=Vi+Vm(3)g<qIfJq其中Vi=Vg(0)-klnFTqIfVn1=-KTInTrq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。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(xiàng)V1外還包含非線性項(xiàng)Vn1項(xiàng)所引起的線性誤差。設(shè)溫度由Ti變?yōu)門時(shí)，正向電壓由Vfi變?yōu)閂f,由(3)式可得Vf=Vg(0)Vg(0)Vfi一旦1n.lT(4)TiqTi按理想的線性溫度影響，VF應(yīng)取如下形式:(6)洋品室B祥晶雁上特勃p?(慚r-酒謖元件PD、呼9I咬座卜加焦母巴-m懸電*招孔(5

3、)如1等于溫度時(shí)的空值。:TFT由(3)式可得所以VF理想二VF1.:TVFfi=Vfi(T-Ti)FTVg(0)-VfiTiVg-VFikTkV理想=Vfi+卜-r；T-Ti)=Vg(0)-Vg(0)-VFi-(T-Tir(7)_Tiq-Tiq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kkTTV=V理想-VF=r(T-TikLn()qqTi(8)設(shè)Ti=300k,T=3i0°k,取r=3.4*,由(8)式可得？=0.048mV,而相應(yīng)的Vf的改變量約20mV,相比之下誤差甚小。不過當(dāng)溫度變化范圍增大時(shí)，Vf溫度響應(yīng)的非線性誤差將有所遞增，這主

4、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:i、對(duì)管的兩個(gè)be結(jié)分別在不同電流Ifi,IF2下工作，由此獲得兩者電壓之差(Vfi-VF2)與溫度成線kTI性函數(shù)關(guān)系，即VFi-VF2=kTInqFiF2由于晶體管的參數(shù)有一定的離散性，實(shí)際與理論仍存在差距，但與單個(gè)PN結(jié)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If比例于絕對(duì)溫度的r次方，則VfT的線性理論誤差為？=0。四、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由樣品架和測(cè)試儀兩部分組成。樣品架的結(jié)構(gòu)如圖所示，其中A為樣品室，是一個(gè)可卸的筒狀金屬容器，筒蓋內(nèi)設(shè)橡皮0圈蓋與筒套具相應(yīng)的螺紋可

5、使用兩者旋緊保持密封,待測(cè)PN結(jié)樣管(采用3DG6晶體管的基極與集電極短接作為正級(jí)，發(fā)射極作為負(fù)極，構(gòu)成一只二極管)和測(cè)溫元件(AD590)均置于銅座B上，其管腳通過高溫導(dǎo)線分別穿過兩旁空芯細(xì)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(jìn)線由中心管上方的插孔P2引入，P2和引線(高溫導(dǎo)線)與容器絕緣，容器為電源負(fù)端，通過插件Pi的專用線與測(cè)試儀機(jī)殼相連接地，并將被測(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0-100011A連續(xù)可調(diào)，另一組用于加熱，其控溫電流為0.

6、1-1A,分為十檔，逐檔遞增或減0.1A,基準(zhǔn)電源亦分兩組，一組用于補(bǔ)償被測(cè)PN結(jié)在0c或室溫Tr時(shí)的正向壓降Vf(0)或Vf(Tr),可通過設(shè)置在面板上的“？V調(diào)零”電位器實(shí)現(xiàn)？V=0,并滿足此時(shí)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(zhǔn)電源用于溫標(biāo)轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)，因本實(shí)驗(yàn)采用AD590溫度傳感器測(cè)溫，其輸出電壓以1mV/k正比于絕對(duì)溫度，它的工作溫度范圍為218.2423.2°k(即-55150C),相輸出電壓為218.2423.2mV。要求配置412位的LED顯示器，為了簡(jiǎn)化電路而又保持測(cè)量精度，設(shè)置了一組273.2mV(相當(dāng)于AD

7、590在0c時(shí)的輸出電壓)的基準(zhǔn)電壓，其目的是將上述的絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)。則對(duì)應(yīng)于-55150C的工作溫區(qū)內(nèi)，輸給顯示單元的電壓為-55150mV便可采用量程為土200.0mV的31/2位LED顯示器進(jìn)行溫度測(cè)量。另一組量程為土1000mV的31/2位LED顯示器用于測(cè)量If,Vf和？V,可通過“測(cè)量選擇”開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)步驟：1)打開測(cè)試儀電源，將開關(guān)K撥到If,由“If調(diào)節(jié)”使憶=504。2) 將K撥到Vf,記下初始溫度T和對(duì)應(yīng)Vf(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(dāng)？V每改變10mV讀取一組？V、T,記錄18組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。4)關(guān)閉

8、加熱電流，在降溫條件下重復(fù)上述操作，記錄數(shù)據(jù)。5)整理實(shí)驗(yàn)儀器。數(shù)據(jù)處理與誤差分析：實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如下：實(shí)驗(yàn)起始溫度Ts=26.0C工作電流If=50A起始溫度為Ts時(shí)的正向壓降*(TO=609mV？V/mv升溫過程TC降溫過程TC-1030.129.9-2034.134.2-3038.638.3-4042.842.3-5047.146.5-6051.450.7-7055.654.9-8059.959.1-9064.163.4-10068.367.6-11072.471.9-12076.776.1-13080.980.4-14085.184.7-15089.289.0-16093.593.2-1

9、7097.797.4-180102.0102.0表一：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表利用ORINGIN,將升溫和降溫過程分別作圖:升溫過程AV-T曲線:ALinearFitofAAV-T曲線AB|cD1Equationy=a+b*x2Adj.R-Square0.999983ValueStandardError4AIntercept61,379570.169825ASlope-2.366280.0025圖像數(shù)據(jù)降溫過程AVT曲線:«ALinearFitofA=200-I|1I1|1I2040008。100T/QCAVT曲線ABc|D1Equationy=a+b*x2Adj.R-Square0.999943

10、ValueStandardError4AIntercept60,083340.306925ASlope-2.362470.00443圖像數(shù)據(jù)由上圖數(shù)據(jù)可知：升溫時(shí)AV-T曲線的斜率為-2.36628,其誤差為0.0025,而相關(guān)系數(shù)為0.99998降溫時(shí)AV-T曲線的斜率為-2.36247,其誤差為0.00443,而相關(guān)系數(shù)為0.99994兩次所作圖像的相關(guān)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(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度禁帶寬度Eg(Ts)=Vgv=VF(TS)-ST=0S=-2.36628±0.0025mV/C.609(-2.36628)(-273.2)/1000V=1

11、.255V與公認(rèn)值1.21比較有|Eg(Ts)-E(Ts)|1.255-1.21|=3.7%E(Ts)E(Ts)1.21在降溫過程中PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度S=-2.36247±0.00443mV/C禁帶寬度Eg(Ts)=Vgv=Vf(Ts)S：T=0.609(2.36247)(-273.2)/1000(=1.254V與公認(rèn)值1.21比較有-JEg(Ts)-E(Ts)lJ1.254-1.21L3.6%E(Ts)E(Ts)1.21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(shí)驗(yàn)過程中溫度變化比較快，不能準(zhǔn)確記錄溫度,使得禁帶寬度與公認(rèn)值差距較大，同時(shí)溫度的測(cè)量精度比較低也增大了誤差。思考題：1 .測(cè)Vf(0)或Vf(Tr)的目的何