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)在恒流供電條彳下，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IF = Is exp(-j)(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rqVg Is = CT r exp-g(2)kT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

2、價帶頂?shù)碾妱莶?。?2)式代入(1)式，兩邊取對數(shù)可得'kc 1 kT rVf =Vg (0) - -In T -InT r = V1 +Vm(3)g<qIf J q其中Vi =Vg(0) - klnF Tq IfVn1 =-KT InTr q這就是PN結正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達式。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 V1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 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應取如下形式:(6)

3、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)如1等于溫度時的空值。:TFT由(3)式可得所以V F理想二 VF1.:TVF fi= Vfi(T -Ti)FTVg (0)-VfiTiVg -VFi kT kV理想=Vfi+卜-r ；T-Ti )=Vg(0)-Vg(0)-VFi- (T-Ti r(7)_Tiq -Tiq由理想線性溫度響應(7)式和實際響應(4)式相比較，可得實際響應對線性的理論偏差為kkTT V =V理想 -VF = r(T -Ti k Ln ( )qqTi(8)設Ti=300 k, T=3i0°k,取r=3.4*,由(8)式可得

4、？=0.048mV ,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，Vf溫度響應的非線性誤差將有所遞增，這主要由于r因子所綜上所述，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、對管的兩個be結分別在不同電流Ifi,展下工作，由此獲得兩者電壓之差(Vfi- Vf2)與溫度成線kT I性函數(shù)關系，即VFi -VF2 =kTIn q FiF2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If比例于絕對溫度的r次方，則VfT的線性理論誤差為？=0。四、實

5、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Pi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

6、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 11A連續(xù)可調(diào)，另一組用于加熱，其控溫電流為0.1-1A ,分為十檔，逐檔遞增或減0.1A,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Vf (Tr),可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(zhuǎn)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 218.2423.2

7、°k (即-55150C),相輸出電壓為 218.2 423.2mV。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273.2mV (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(zhuǎn)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便可采用量程為土 200.0mV的31/2位LED顯示器進行溫度測量。 另一組量程為土 1000mV的31/2位LED顯示器用于測量If, Vf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 憶=504

8、。2) 將K撥到Vf,記下初始溫度 T和對應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 ？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=26.0 C工作電流I f=50A起始溫度為 Ts時的正向壓降 * (TO =609mV？ V/mv升溫過程T C降溫過程TC-1030.129.9-2034.134.2-3038.638.3-4042.842.3-5047.146.5-6051.450.7-70

9、55.654.9-8059.959.1-9064.163.4-10068.367.6-11072.471.9-12076.776.1-13080.980.4-14085.184.7-15089.289.0-16093.593.2-17097.797.4-180102.0102.0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A V-T曲線:ALinear Fit of AA V-T曲線AB | cD1Equationy = a + b*x2Adj. R-Square0.999983ValueStandard Error4AIntercept61,379570.1698

10、25ASlope-2.366280.0025圖像數(shù)據(jù)降溫過程AV T曲線:«ALinear Fit of A=200 -I |1 I 1|1 I2040008。100T/QCA V T曲線ABc|D1Equationy = a + b*x2Adj. R-Square0.999943ValueStandard Error4AIntercept60,083340.306925ASlope-2.362470.00443圖像數(shù)據(jù) 由上圖數(shù)據(jù)可知：升溫時AV -T曲線的斜率為-2.36628,其誤差為0.0025,而相關系數(shù)為 0.99998 降溫時AV -T曲線的斜率為-2.36247,其誤

11、差為0.00443,而相關系數(shù)為 0.99994 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禁帶寬度Eg (Ts) =Vgv =VF(TS) S T = 0S=-2.36628 ± 0.0025 mV/ C.609 (-2.36628) (-273.2)/1000V = 1.255V與公認值1.21比較有|Eg(Ts)-E(Ts)|1.255-1.21| =3.7%E(Ts)E(Ts)1.21在降溫過程中禁帶寬度EgPN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度S=-2.36247 ± 0.00443 mV/ C(Ts) =Vgv =Vf(Ts) S ：T =0.609 (2.36247) (-273.2)/1000( =1.254V與公認值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Vf(0)或Vf(Tr)