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1、综合物理实验报告姓名：刘国文学号：2120903009班级：应物21学院：理学院PN结正向压降与温度关系的研究一.实验目的1．了解PN结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN结特性曲线。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结特性的测量由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN结的正向电流与正向电压满足以下关系；=（exp-1）⑴式中e为电子电荷
2、量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，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exp》1,上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有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
3、极管正向电流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结正向压降随温度变化灵敏度S的测量由物理学知，二极管的反向饱和电流与绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差有如下关系：⑶⑶式中，r是常数，C是与结
4、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⑷其中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常数，则正向压降只随温度变化，显然，⑷式中除线性项外还含有非线性项，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℃）引起的误差可忽略不记。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降对环境温度T的依赖关系主要取决于线性项，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
5、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，关系的非线性变化将更为严重，说明特性还与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，这是非线性项引起的。由⑷式可以看出，减小，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
6、成一个PN结）分别在不同电流下工作，得到两者电压差与温度间的线性关系：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。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,它是一个可拆卸的筒状容器,筒盖内设有橡皮圈,橡皮圈与筒套上的螺丝孔相对应,可用螺钉将其旋紧以保持密封。待测样品PN结管(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一只二极管)和测温元件(AD590)均置于铜座B上,管脚与耐高温导线相连,分别穿过两旁空心
7、细管与顶端插座P1连接,加热器H位于中心管支座底部,其发热部位埋设在铜座B中心柱体内,加热电源进线由中心管上方插孔P2引入,P2的引线与容器绝缘,容器与电源负端相通,它通过插件P1专用线与测试机接地端相连,将待测PN结的温度和电压信号输入测试仪。HP1B测试仪由恒流源，基准电源和显示单元等组成。恒流源有两组，一组提供I，电流输出在0∽1000A范围内连续可调，另一组用于加热，控温电流为0.1-1A,分为十档,每档改变电流0.1A。基准电源也有两组，一组用于补偿PN结在0℃和室温T时的正向压降V（0）与V（T），可通过调节面板上
8、的“调零”电位器实现，若升温时，，降温时，则表明正向压降随温度升高而下降。另一组电源用于温标转换和校准。本实验采用AD590温度传感器测温，AD590的输出电压与绝对温度成正比（），其工作温度范围为（即-55℃-150℃），相应输出电压为。在保持测量精度不变的情况下，为了简化
