PN结正向压降与温度关系的研究(黄)实验报告

PN结正向压降与温度关系的研究班级:物理实验班21学号：2120909006姓名：黄忠政半导体PN结正向压降随温度升高而降低的特性使PN结可以作为测温元件。温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温度系数传感器的阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN结属于负温度系数的传感器。这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如铂电阻虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。相比之下，PN结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而有着广泛的应用。一．实验目的：1.了解PN结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN结FFVI特性曲线及玻尔兹曼常数。2.测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。3.学会用PN结测量温度的一般方法。二．实验仪器：SQ-J型PN结特性测试仪，三极管（3DG6），测温元件，样品支架等。三．实验原理：1．PN结FFVI特性及玻尔兹曼常数k的测量：由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN结的正向电流FI与正向电压FV满足以下关系：FI=sI（expkTeVF-1）⑴式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，sI为反向饱和电流，它是一个与PN结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。由于在常温（300K）下，kT/q=0.026,而PN结的正向压降一般为零点几伏,所以expkTeVF》1,上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有kTeVIsIFFexp⑵这就是PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN结的FFVI关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T后,就可得到e/k常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k。在实际测量中，二极管的正向FFVI关系虽能较好满足指数关系，但求得的k值往往偏小，这是因为二极管正向电流FI中不仅含有扩散电流，还含有其它电流成份。如耗尽层复合电流.、表面电流等。在实验中,采用硅三极管来代替硅二极管，复合电流主要在基极出现，三极管接成共基极线路（集电极与基极短接），集电极电流中不包含复合电流。若选取性能良好的硅三极管，使它处于较低的正向偏置状态，则表面电流的影响可忽略。此时集电极电流与发射极—基极电压满足⑵式，可验证该式，求出准确的e/k常数。2．PN结材料禁带宽度的测量：由物理学知，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差)0(gV有如下关系：kTeVCTIgrs)0(exp⑶⑶式中，r是常数，C是与结面积、掺杂浓度等有关的参数，将⑶式代⑴式后两边取对数得rFgFTekTTICekVVln)ln()0(nIIVV⑷其中TICekVVFgI)ln(rnIInTekTV⑷式即为PN结正向压降、正向电流和温度间的函数关系，它是PN结温度传感器工作的基本方程。若保持正向电流恒定即FI常数，则正向压降只随温度变化，显然，⑷式中除线性项IV外还含有非线性项nIV，但可以证明当温度变化范围不大时（对硅二极管来说，温度范围在-50℃-150℃）nIV引起的误差可忽略不记。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降FV对环境温度T的依赖关系主要取决于线性项IV，即PN结的正向压降随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。但必须指出，这一结论仅适用于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间。若温度过高或过低（不在上述温度范围），则随着杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，TVF关系的非线性变化将更为严重，说明TVF特性还与PN结的材料有关。实验证明，宽带材料（如GaAs）构成的PN结，其高温端线性区宽，而材料（如Insb）杂质电离能小的PN结，其低温端的线性区宽，对于给定的PN结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度随温度的高低也有所不同，这是非线性项nIV引起的。由⑷式可以看出，减小FI，可以改善线性度，但这不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法是利用对管的两个be结（即三极管基极和集电极短路后与发射机组成一个PN结）分别在不同电流2.1FFII下工作，得到两者电压差)(21FFVV与温度间的线性关系：2121FFFFIIInekTVV使之与单个PN结相比线性度与精度有所提高。将这种电路与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成电路传感器。根据⑷式，略去非线性，可得Vg=VF(0)+VF(0)ΔT/T=VF(273.2)+S·ΔTΔT=-273.2ºK为摄氏温标与开尔文温标之差，S为正向压降随温度变化灵敏度。四．实验装置：实验用具由样品架和测试仪两部分构成,样品架结构如图所示,其中A为样品室。待测样品PN结管是将三极管3DG6的基极与集电极短接后作为正极,其发射极作为负极构成的一只二极管，它和测温元件(AD590)均置于铜座B上,待测PN结的温度和电压信号输入测试仪。P1A-样品室B-样品座P2D-待测PN结T-测温元件P1-D、T引线座H-加热器P2-加热电源插孔图1样品架结构图AHHDTB测试仪由恒流源，基准电源和显示单元等组成。测量电路的框图如下图所示。Ds待测的PN结。恒流源1提供If，电流输出在0~1000A范围内连续可调，恒流源2用于加热，控温电流为0.1-1A,分为十档,每档改变电流0.1A。可根据不同的升温速度要求选择档位。基准电源主要用于“ΔV”的调零。样品室K测温元件温标转换温度显示恒温源2加热器恒流源1PRDSD测温元件加热器显示、、VVIFFVVIFF、、H图2.测量电路框图五．实验内容：1.测量玻尔兹曼常数k：在一定温度的条件下，测量FFVI的关系曲线，实验可在室温下进行。2.测量PN结材料禁带宽度；将“测量选择”开关K拨到If，调节If=50μA，将K拨到VF，记下起始温度TS时的VF(TS)值，再将K置于ΔV，调节使ΔV=0。测定ΔV-T关系曲线：打开电源开关，逐步提高加热电流，测量ΔV所对应的T值，ΔV每变化10mV记录T的值。测量时应注意，升温速度不要太快，温度不宜过高120ºC。六．数据记录与处理：记录室温TR=21.3ºC，VF（TR）=112mV，将测量的数据记入表1中。IF（μA）01234VF（mV）112482486490498IF（μA）56789VF（mV）503507511514518IF（μA）1020304050VF（mV）521543553560567IF（μA）60708090100VF（mV）572576580584586表1玻尔兹曼常数k的测量将IF、VF数据按指数函数拟合出方程，并与（2）式比较，求出玻尔兹曼常数k，与理论值比较算出误差。将IF数据取自然对数的值，然后再和VF的值一起列成下表，然后作出ln(IF)-VF的关系图。ln(IF)-13.8155-13.1224-12.7169-12.4292VF0.4820.4860.4900.498ln(IF)-12.2061-12.0238-11.8696-11.7361-11.6183VF0.5030.5070.5110.5140.518ln(IF)-11.5129-10.8198-10.4143-10.1266-9.90349VF0.5210.5430.5530.5600.567ln(IF)-9.72117-9.56702-9.43348-9.31570-9.21034VF0.5720.5760.5800.5840.586由以上数据，可绘出下图：由式（2），两边取对数，得kT/e=0.0256，则k=0.0256*1.6*10^-19/(273.15+21.3)=1.391*10^-23Ek=|k测量值-k真实值|/k真实值=|1.391-1.38|/1.38=0.80%调节使IF=50μA，记录起始温度TS=30.0ºC，正向压降VF（TS）=699mV，将测量的数据记入表2中。ΔV(mV)0102030405060708090100T（ºC）30.034.738.844.748.653.459.363.968.573.477.6表2禁带宽度VE的测量作ΔV-T关系曲线，求该直线的斜率S，即PN结正向压降随温度变化的灵敏度（mV/ºC）。将S代入（5）式Vg(0)=VF(0)+VF(0)ΔT/T=VF(273.2)+S*ΔTΔT=-273.2ºK为摄氏温标与开尔文温标之差，如实验在室温下完成，要将ΔT加室温TR。求出PN结硅材料的禁带宽度Eg(0)=eVg(0)电子伏特。将测量的Eg(0)与公认值Eg(0)=1.21电子伏比较，求其误差。由（5）式，可算得Vg(0)=1.202V，则Eg(0)=eVg(0)=1.202eVEE=|Eg(0)测量值-Eg(0)公认值|/Eg(0)公认值=|1.202-1.210|/1.210=0.66%七．心得体会：通过这次的实验，我了解了PN结正向电流和正向压降之间按指数变化的规律，测绘了PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定了其灵敏度及PN结材料的禁带宽度，同时我还学会了用计算机处理数据的能力，当然，自己计算机的能力还远远不够，比如说，还不会用matlab软件处理数据。