PN結(jié)的伏安特性與溫度特性測量

1、.PN結(jié)正向壓降與溫度特性的研究【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 研究pn結(jié)正向壓降與溫度之間的關(guān)系。2. 提出利用pn結(jié)的這個(gè)特性設(shè)計(jì)溫度傳感器的方案?！緦?shí)驗(yàn)儀器】 1. pn結(jié)物理特性實(shí)驗(yàn)儀。 2. 保溫杯。 3. 開水、冰塊等?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.理想的pn結(jié)正向電流IF 和壓降VF 存在如下近似關(guān)系 式中，q 為電子電量，K=1.381023JK-1為玻爾茲曼常數(shù)，T 為熱力學(xué)溫度，Im 為反向飽和電流，它的大小 其中C 是與半導(dǎo)體截面積、摻雜濃度等因素有關(guān)的常數(shù)； 是熱學(xué)中的比熱比，也是一個(gè)常數(shù)；Vg(0)是熱力學(xué)溫度T=0 時(shí)，PN 結(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)中，它的導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂之間的電勢差8212 半導(dǎo)體材

2、料的能帶理論中，把有電子存在的能量區(qū)域稱作價(jià)帶，空著的能量區(qū)域叫導(dǎo)帶，而電子不能存在的能量區(qū)域叫禁帶。將式(2)帶入式(1)，兩邊取對數(shù)可得 （3）其中，。式(3)是PN 結(jié)溫度傳感器的基本方程。當(dāng)正向電流IF為常數(shù)時(shí)，V1 是線性項(xiàng)，Vn1 是非線性項(xiàng)，這時(shí)正向壓降只隨溫度的變化而變化，但其中的非線性項(xiàng)Vn1引起的非線性誤差很小(在室溫下，=1.4 時(shí)求得的實(shí)際響應(yīng)對線性的理論偏差僅為0.048mV)。因此，在恒流供電情況下，PN 結(jié)的正向壓降VF 對溫度T 的依賴關(guān)系只取決于線性項(xiàng)V1，即在恒流供電情況下，正向壓降VF 隨溫度T 的升高而線性地下降，這就是PN 結(jié)測溫的依據(jù)。我們正是利用這

3、種線性關(guān)系來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。必須指出，上述結(jié)論僅適用于摻入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)全部被電離且本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間，對最常用的硅二極管，溫度范圍約為-5050，若溫度超出此范圍，由于雜質(zhì)電離因子減小或本征激發(fā)的載流子迅速增加，VF T 的關(guān)系將產(chǎn)生新的非線性。更為重要的是，對于給定的PN 結(jié)，即使在雜質(zhì)導(dǎo)電和非本征激發(fā)的范圍內(nèi)，其線性度也會(huì)隨溫度的高低有所不同，非線性項(xiàng)Vn1 隨溫度變化特征決定了VF T 的線性度，使得VF T 的線性度在高溫段優(yōu)于低溫段，這是PN 結(jié)溫度傳感器的普遍規(guī)律。同時(shí)從式(1)、(2)、(3)可以看出，對給定的PN 結(jié)，正向電流IF 越小非線性項(xiàng)越小，這說明減小IF ，可

4、以改善線性度。2、 PN結(jié)的結(jié)電壓與熱力學(xué)溫度T關(guān)系測量。 實(shí)驗(yàn)線路 測溫電路通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)電路中電源電壓，使上電阻兩端電壓保持不變，即電流I100A。同時(shí)用電橋測量鉑電阻的電阻值，通過查鉑電阻值與溫度關(guān)系表，可得恒溫器的實(shí)際濕度。從室溫開始每隔510測一定值（即V1）與溫度（）關(guān)系，求得關(guān)系。當(dāng)PN結(jié)通過恒定小電流（通常電流I1000A），由半導(dǎo)體理論可得與T近似關(guān)系：（3）式中S2.3為PN結(jié)溫度傳感器靈敏度。由可求出溫度0K時(shí)半導(dǎo)體材料的近似禁帶寬度。硅材料的約為1.20eV。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1.VF（tS）的測量和調(diào)零（1）開啟測試儀電源，電源開關(guān)在機(jī)箱后面，預(yù)熱數(shù)分鐘。（2）將“測量

5、選擇”開關(guān)(簡稱K)撥到IF 的位置，由“IF 調(diào)節(jié)”使IF=50，記錄初始測量溫度tS(一般與當(dāng)時(shí)的室溫tR 相同)，再將K 撥到VF 的位置，記下VF(tS)值，最后將K 置于V 的位置，由“V 調(diào)零”使V=0，準(zhǔn)確記錄以上數(shù)據(jù)。有時(shí)因?qū)嶒?yàn)失敗，需要重新進(jìn)行測量時(shí)，PN 結(jié)所在處的溫度無法降到室溫，這時(shí)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件選取一個(gè)合適的起始溫度，記錄下該溫度值，即可開始測量，測量過程與上面完全相同。（1）開啟加熱電源(指示燈即亮)，先將控溫電流開關(guān)旋鈕旋至0.3A，再逐步提高控溫加熱電流，實(shí)驗(yàn)過程中每測量三個(gè)點(diǎn)控溫電流增加0.1A 即可。（2）記錄對應(yīng)的V 和T，為了減小測量誤差，便于處理數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中按V 每改變10mV 或15mV立即讀取一組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)填入擬定的表格中。2.測定曲線（1）開啟加熱電源(指示燈即亮)，先將控溫電流開關(guān)旋鈕旋至0.3A，再逐步提高控溫加熱電流，實(shí)驗(yàn)過程中每測量三個(gè)點(diǎn)控溫電流增加0.1A 即可。（2）記錄對應(yīng)的V 和T，為了減小測量誤差，便于處理數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中按V 每改變10mV 或15mV立即讀取一組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)填入擬定的表格中?！咀⒁馐马?xiàng)】1為保持加熱均勻，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，升溫速率要慢，即控溫電流一開始不可選擇過大，且最高溫度最好控制在120左右。2在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)保證PN 結(jié)正向電流為恒定電流，并保持在50 上。3V 在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)應(yīng)調(diào)零，在實(shí)驗(yàn)