PN结正向压降与温度关系的研究(黄)实验报告.doc

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1、PN结正向压降与彳曰度关系的研班级:物理实验班21学号：2120909006姓名：黄忠政半导体PN结正向压降随温度升高而降低的特性使PN结可以作为测温元件。温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温度系数传感器的阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻,测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN结属于负温度系数的传感器。这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如钳电阻虽然精度高，线性度好，

2、但灵敏度低，价格高。相比之下，PN结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而有着广泛的应用。-・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—特性曲线及玻尔兹曼常数。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结你T特性及玻尔兹曼常数k的测・:由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN

3、结的正向电流你与正向电压你满足以下关系：式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数T为热力学温度，1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普》上式括号内的第二项可以忽略不计，于是有这就是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iF-vF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/F-vF关系虽能较好

4、满足指数关系，但求得的k值往往偏小，这是因为二极管正向电流“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结材料禁带宽度的测量:由物理学知，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差匕（0）有如下关系：=CT'ex

5、p叫(0)kT⑶式中，「是常数，C是与结面积、掺杂浓度等有关的参数,将⑶式代⑴式后两边取对数得其中Vz=V?-(

6、lny-)T⑷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乙=常数，则正向压降只随温度变化，显然，⑷式中除线性项匕外还含有非线性项V,",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e-50°C-150°C）匕/引起的误差可忽略不记。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降匕对环境温度T的依赖关系主要取决于线性项岭，即PN结的正向压降随温度升高而线性下降，这就是PN结测

7、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，耳-了关系的非线性变化将更为严重，说明耳-了特性还与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，这是非线性项乙引起的。由⑷式可以看出，减小匚，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

8、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成一个PN结为别在不同电流⑴G下工作，得到两者电压差(vFi_vF2)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。根据⑷式，略去非线性，可得Vg=Vf(0)+Vf(0)AT/T=Vf(273.2)+S-ATAT=-273.2°K为摄氏温标与开尔文温标之差，S为正向压降随温度变化灵敏度。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。待测样品PN结管是将三极管3DG6的基极与集电极短接后作为正极，其发

9、射极作为负极构成的一只二极管，它和测温元件(AD590)均置于铜座B上，待测PN结的温度和电压