pn结正向压降温度特性的研究 (2).doc

《pn结正向压降温度特性的研究 (2).doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、中国科学技术大学物理实验报告安全科学与工程系07级姓名：付峻江学号：PB07013223实验题目：PN结正向压降温度特性的研究85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，并由此确定其灵嬪度和被测PN结材料的禁带宽度。3.学习用PN结测温的方法。实验原理：理想PN结的正向电流If和压降*存在如下近似关系Isexp((1)Jt'l1q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，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明Is-CT'exp[-叫(0)]kT(2)(注：(1),(2)式推导参考

2、刘恩科半导体物理学第六章第二节)其屮C是与结而积、掺质浓度等有关的常数：I•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(kckTVF=V„(0)——In——T——InTr=V,+VH1(3)Z-丿q其中w7J川竺(M)q这就是PN结正向床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I产常数，则正向压降只随温度rfo变化，但是在方程(3)屮，除线性项V.外还包含非线性项VnI项所引起的线性误差。设温度由T］变为T时，正向电压由V"变为Vf，由(3)式可得17kT(T(4)VF=V,(O)-［Vg(O)-VnJ-

3、_—1〃-71qvi(5)按理想的线性温度影响，VF应取如下形式：=vn~Ti)弘等于T］温度吋的电值。dTdT由(3)式可得(6)dVn_V/O)-VFlk——/dTT{q所以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)kzxkTT^V&-VF=--r^-T{)+-Ln(-y设T

4、=3OO°k,T=31O°k,取r=3.4笃由(8)式可得A=0.048mV,而相应的Vf的改变量约20mV,相比之下误差甚小。不过半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I■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

5、于线性项W，即正向床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I韦I约・50°C—150C)。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，这是非线性项％引起的，由％对T的二阶

6、导数船冷可知牛的变化与T成反比，所以t-测fi/tnPH)・T引钱序H-加热耳p厂加热电灌播孔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，门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Ifi，險下工作，由此获得两者电压之差(Vfi・Vf2)与温度成线性函数关系，即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、Oki

7、raOhtc等人提出的采用电流函数发生器来消除非线性误差。由(3)式可知，非线性误差來自T「项，利用函数发生器，使If比例于绝对温度的I•次方，则Vf—T的线性理论误差为△=(),实验结果与理论值颇为一致，其精度可达0.01oCo实验装置：实验系统由样品架和测试仪两部分组成。样品架的结构如图所示，其屮A为样品室，是一个可卸的筒状金展容器，筒盖内设橡皮0圈盖与筒套具相应的螺纹可使用两者旋紧保持密封，待测PN结样管(采用3DG6晶体管的基极与集电极短接作为正级，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±,其管脚通过高温导线分别穿过两旁空芯细管与顶部插座R连接。加热器H装

8、在屮心管的支座下，其发热部位埋在铜座B的屮心柱体内，加热电源的进线由屮心管上方的插孔匕引入，巴和引线(高温导线)与容器绝缘，容器为电源负端，通过插件Pi的专用线与测试仪机壳相连接地，并将被测PN结的温度和电压信号输入测试仪。测试仪由恒流源、基准电源和显示等单元组成。恒流源有两组，其屮一•组提供S电流输出范围为0-1000uA连续可调，另一组用于加热，其控温电流为0.1-1A,分为十档，逐档递增或减