[分享]1、PN结正向压降与温度关系的研究

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1、PN结正向压降与温度关系的研究一、实验简介：众所周知，常用于温度的传感器有热电徜，测度电阻器和热敏电阻，红外测温仪等。其屮，PN结温度传感器具有灵敏度高，线性好，响应快易于集成化等，其他传感器无法比拟的优点，工作温度范围一般在一50°C-150°C灵敏度可达100MV/°C。而本实验PN结只有2.2MV/°C左右。二、实验目的：1.了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。2在恒流条件测绘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•学习用PN结测温度的方法。三、实验原理：人们将高价元素(例如：P)掺杂到硅材料屮，由于磷元素多电子，使材料主要以电子导电称P

2、型半导体，将三价的硼元素掺杂到硅材料中使材料中出现大量空穴称N型半导体材料。将P型材料同N型材料粘合在一起由于电子和空穴的扩散复合形成PN结。理想PN结的止向电流If和压降W存在如下近似关系式。IF=Isexp(qVF/kT)⑴其中q为电子屯荷；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；良为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系Is=CTfexp[-qV(O)/kT]数。其中C是与结面积、掺朵浓度等有关的常数；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kckT=V/0)-(-ln—)T——In八=岭

3、+VHl⑶q—q其中，v.(O)-(iln—)T&q-kTVni=-—(lnTr)q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。其中：Vg(0)——绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。q——电子的电荷。K——玻尔兹曼常数。T一一绝对温度。If——PN结中正向电流。/常数。令常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程(3)屮，除线性项V.外还包含非线性项Vnlo卜•面來分析一下Vnl项所引起的线性误差。设温度由Ti变为T时，正向电压由V心变为Vf，由(3)式可得TkTTVf=VJO）-[VJO）-Vfi]-一一ln（-）^qlx按理想的

4、线性温度响应，Vf应取如卜•形式5VFi（、V理想=匕

5、+才@_片）aVn9Vf莎等于儿温度时的莎值。由（3）式可得6VfiVg（0）-Vnk=r6TTiq所以=VF+[一冷心）Tk=V}{(0)-Ws^-Vn]---r(T-Tl)'1q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kA==-r(T,-T)+q设A=300K,T=310K,取r=3.4*,由(8)式可得A=0.048mV,而和应的W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，％温度响应的非线性谋差将有所递增，这主要由于r因子所致。综上所述，在恒流供电条件下，PN结

6、的VF对T的依赖关系取决于线性项VI,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。必须指岀，上述结论仅适用于杂质全部电离，木征激发可以忽略的温度区间（对于通常的硅二极管来说，温度范围约一50°C〜150°C）o如果温度低于或高于上述范围时，由于朵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W—T的特性还随PN结的材料而异，对于宽带材料（如GaAs）的其PN结，高温端的线性区则宽；而材料杂质屯离能小（如Tnsb）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木征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线

7、性项险引起的，由险对T的二阶导数吐=丄可知的变化与T成反比，所以VF-T的线性度在高温优于低dTJT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I”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：1.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），分别在不同电流“、®下工作，由此获得两者之差（％—％）与温度成线性函数关系，即Vh-Vf2=—In—qIf2由于晶体管的参数有一定的离散性，实际与理论仍存在差距，但与单个PN结相比其线性度与精度均冇所提高，这种电路结构与恒流、放人等屯路集成一体,便构成集成电路温度传感器。2.

8、OkiraOhte等人提岀的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T项，利用函数发生器，k比例于绝对温度的r次方，则Vp-T的线性理论误差为AuO。实验结果与理论值颇为一致，其精度可达o.orCo四、实验装置：实验系统由样品架和测试仪两部分组成。五、实验方法和内容：1.实验系统检查与连接。A、取下样品室的筒套，查待测PN结管和测温元件应分别放在铜座的左右两侧圆孔内，其管脚不与容器接触，然后拧紧筒套。B、控