大学物理实验：PN结

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1、PN结正向压降温度特性的研究¿电磁学系列3浙江大学物理实验中心随着半导体器件工艺技术的提高以及人们不断的探索，PN结以及在此基础上发展起来的晶体管系列温度传感器，巳经成为一种新的测温技术，广泛被应用在各个领域。据实际应用，PN结作为温度传感器具有灵敏度高、线性好、热电效应快和体积小等优点，尤其是在温度数字化、温度控制及用微机进行温度实时讯号处理与控制等方面，都是其它温度传感器所不能相比的优越性。一、实验目的1、了解PN结测温基本原理和应用。2、验证PN结正向压降随温度升高而降低的特性。3、学会使用PN结温度传感

2、器测试仪。二、实验原理PN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N型导电区相接触的截面形成了P-N结一般来说，对于一个理想的PN结，其正向电流IF和压降VF存在如下近似关系：（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。PNP-N结VFIF可以证明：（2）其中C是一个与结面积、掺杂浓度等有关的常数，r也是常数，Vg(0)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：（3）其中式（3）就是PN结正向

3、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。当令IF=常数，则正向压降只随温度而变化。由方程式(3)可见，VF除线性项Vl外还包含非线性项Vnl。由理论计算可知在恒流供电条件下，PN结的VF对T的依赖关系主要取决于线性项Vl，非线性项忽略不计。所以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。三、实验装置A-样品室B-样品座D-待测PN结T-测温元件H-加热器P1-D、T引角线P2-加热电源插座1、A为样品室，是一个可卸的筒状金属容器，筒盖内设橡皮圈盖与筒套具相应的螺纹，可

4、使两者旋紧保持密封。待测PN结样管采用3DG6晶体管PN结样品架P1P2ATBHDPN结样品架外形加热线信号线2、测试仪结构恒流源：一组提供IF，电流输出范围为0-1000A连续可调；一组用于加热，其控温电流为0.1一1A，分为十档，逐档递增或递减0.1A。基准电源，一组用于补偿被测PN结在0℃或室温TR的正向压降VF(0）一组基准电源用于温标转换和校准其输出电流以1µA／OK正比于绝对温度，显示单元：电压为-55—150mV。采用量程为土200.0mV的LED显示器进行温度测量。一组量程为土1000mV的LE

5、D显示器用于测量IF、VF和V，可通过仪器上“测量选择”开关来实现。电压显示温度显示加温调节△v清另IF调节信号输入加温输出测试仪外形四、实验操作1、首先检查与连接实验系统，然后调整工作电流IF为某一固定值（本实验测量设定IF=50A），在本实验的起始温度下测得VF（Tm），然后由“V调零”使V=0。点击播放2、VT曲线的测定逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的V和T，在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃，记录数据填入数据表。（要求电压每下降-10V，记录一次温度）3、求被测P

6、N结正向压降随温度变化的灵敏度S（mv/℃）方法是：作△V-T曲线，其斜率就是S。最后再通过画曲线求得。0T4、估算被测PN结材料（硅）的禁带宽度根据前述理论，略去非线性项，可得被测PN结材料（硅）的禁带宽度Eg(0)由以下两公式决定：其中Vg（0）是摄氏0度时的电压，S是V—T变化的斜率，T是温度变化值。公认值Eg(0)=1.21电子伏特。然而由于实验中测量得到的不是VF（0）而是VF（TM）（TM=t+273),因此上述公式中的Vg（0）应用Vg（TM）替代，温度.