pn结物理特性测试

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1、中国计量学院实验报告课程名称：《电子科学与技术实验》实验项目：PN结物理特性测量班级：电子102学号：姓名：实验时间：2012.11一、实验目的：1.了解PN结物理特性测试仪的原理；2.掌握PN结物理特性测试仪的使用方法；3.用PN结物理特性测试仪进行PN结物理特性的测试。二、实验内容与原理：理想的PN结的正向电流IF和正向压降VF存在如下近似关系式：（1）其中q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；IS为反向饱和电流，它是一个PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明：(2）其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数；r也是常数（见附录）；Vg（0）为绝对零度时PN结的导带底

2、和价带顶的电势差。将（2）式代入（1）式，两边取对数可得（3）其中，方程（3）就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是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，但是在方程（3）中还包含非线性项Vn1。下面来分析Vn1项所引起的线性误差。设温度由T1变为T时，正向压降VF1由变为VF，由（3）式可得（4）按理想的线性温度响应，VF应取如下形式（5）由（3）式可得（6）所以(7)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（8）设T1=300K，T1=310K，取r=3.4，由（8）式可得△=0.048

3、mV，而相应的VF的改变量约20mV，相比之下，误差很小。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，这主要是由于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结测温的理论依据。必须指出，上述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（对于通常的硅二极管来说，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，Eg为1.4

4、3eV）的PN结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能力小（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，其线性度也随温度的高低而有所不同，这是非线性项Vn1引起的，由Vn1对T的二阶导数的变化与T成反比，所以VF-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。此外，由（4）式可知，减小IF，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法大致有两种：I．利用对管的两个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），在不同电流IF1、IF2下工作，由此获得两者之差（VF1-VF2）与温度成线

5、性函数关系，即（9）由于晶体管的参数有一定的离散性，实际值与理论值仍存在差距，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。II．采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知，非线性误差来自Tr项，利用函数发生器，IF正比于绝对温度的r次方，则VF—T的线性理论误差△=0。实验结果与理论值会比较一致，其精度可达0.01℃。实验内容：1.实验系统检查与连接（1）左手扶隔离圆筒上盖“J”，右手扶隔离圆筒的筒套“A”，取下圆筒的筒套，检查待测PN结管“D”和测温元件“C”应放在测试圆铜块“B”的左右两侧圆孔内，其管脚应不与

6、容器接触，然后套上筒套“A”。（2）将测试仪面板上的控温的加热器电流旋钮“5”逆时针旋到底，使加热器电流IH指示“0.000”A，接上加热器电源线和七芯信号传输线。将七芯屏蔽电缆信号线的插头端接至加热测试装置顶部的插座“H”，连接时，应先将七芯插头与七芯插座的凹凸定位槽对准，再按下插头线便可插好。将七芯屏蔽电缆信号线另一端PN结的两组红黑香蕉插头分别接至测试仪面板的“12”“13”“14”“15”插孔，注意红黑要对应好，切勿接错。再将七芯屏蔽电缆信号线另一端的温度传感器输出端的红黑香蕉插头，接至测试仪面板的“16”“17”插孔，注意红黑要对应好，切勿接错。拆除信号线时，应拉插头的可动外套

7、，决不可鲁莽左右转动，或操作部位不对而硬拉，否则可能拉断引线影响实验。打开电源开关，预热几分钟后，此时测试仪上的温度表（“4”）将显示出室温TR，记录起始温度TR。VF（0）或VF（TR）的测量调节测试仪面板上的微电流IF调节旋钮“（6）”，使PN结的正向电流IF=50uA。将测试仪面板上测量转换开关K的“（8）”VF测量选择按下，记录此时的VF值。将测试仪面板上测量转换开关K的“（9）”△V测量选择按下，调节△V调零电位器“（7）