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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究一、实验目的1．了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式,了解用PN结测温的方法。2．在恒流供电条件下,测绘PN结正向压降随温度变化曲线,并由此确定其灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度。3．了解二极管的正向伏安特性,测量波尔兹曼常数。二、实验原理(一)PN结正向压降与温度的关系理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系IFIsexp(qVF)(1)kT其中q为电子电荷;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度;Is为反向饱和电流,它
2、是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数,能够证明IsCTrexp[qVg(0)(2)]kT(注:(1),(2)式推导参考刘恩科半导体物理学第六章第二节)其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数:r也是常数;Vg(0)资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。将(2)式代入(1)式,两边取对数可得VFVg(0)kIncTkTInTrV1Vn1(3)qIFq其中V1Vg(0)kIncTqIFVn1KTInTrq这就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表示式,它
3、是PN结温度传感器的基本方程。令IF=常数,则正向压降只随温度而变化,可是在方程(3)中,除线性项V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差。设温度由T1变为T时,正向电压由VF1变为VF,由(3)式可得TkT1nTrVFVg(0)Vg(0)VF1(4)T1qT1按理想的线性温度影响,VF应取如下形式:VF理想VF1VF1(TT1)(5)TVF1等于T1温度时的VF值。TT由(3)式可得VF1Vg(0)VF1k(6)TT1rq资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。因此V理想VF1VgVF1kTT1T1rq
4、(7)TkVg(0)Vg(0)VF1T1qTT1r由理想线性温度响应(7)式和实际响应(4)式相比较,可得实际响应对线性的理论偏差为V理想VFkrTT1kTLn(T)r(8)qqT1设T1=300°k,T=310°k,取r=3.4*,由(8)式可得?=0.048mV,而相应的VF的改变量约20mV,相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时,VF温度响应的非线性误差将有所递增,这主要由于r因子所致。综上所述,在恒流供电条件下,PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1,即正向压降几乎随温度升高而线性下降,这就是PN结测温的依据。必
5、须指出,上述结论仅适用于杂质全部电离、本征激发能够忽略的温度区间(对于一般的硅二极管来说,温度范围约-50℃—150℃)。如果温度低于或高于上述范围时,由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加;VF—T关系将产生新的非线性,这一现象说明VF—T的特性还随PN结的材料而异,对于宽带材料(如GaAs)的PN结,其高温端的线性区则宽;而材料杂质电离能小(如InSb)的PN结,则低温端的线性范围宽,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,其线性度亦资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。随温度的高低而
6、有所不同,这是非线性项Vn1引起的,由Vn1对T的二阶导数d2Vn11可知dVn1FdT2TdT的变化与T成反比,因此V-T的线性度在高温端优于低温端,这是PN结温度传感器的普遍规律。另外,由(4)式可知,减小IF,能够改进线性度,但并不能从根本上解决问题,当前行之有效的方法大致有两种:1、对管的两个be结(将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN结),分别在不同电流IF1,IF2下工作,由此获得两者电压之差(VF1-VF2)与温度成线性函数关系,即VF1VF2kTIF1(9)InIF2q由于晶体管的参数有一定的离散性,实际
7、与理论仍存在差距,但与单个PN结相比其线性度与精度均有所提高,这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体,便构成集成电路温度传感器。2、OkiraOhte等人提出的采用电流函数发生器来消除非线r性误差。由(3)式可知,非线性误差来自T项,利用函数发生器,使IF比例于绝对温度的r次方,则VF—T的线性理论误差为?=0,实验结果与理论值颇为一致,其精度可达0.01℃。(二)PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知,PN结的正向电流-电压关系满足:II0eeU/KT1(10)式(10)中I是经过PN结的正向电流,I0是反向饱和电
8、流,在温度恒定是为常数,T是热力学温度,e是电子的电荷量,U为PN结正资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。向压降。由于在常温(300K)时,kTev而结正向压/≈0.026,PN降约为十分之几伏,则eeU/KT>>1,(1
