PN結(jié)正向壓降溫度特性及正向伏安特性的研究

1、PN結(jié)正向壓降溫度特性及正向伏安特性的研究 PN結(jié)正向壓降溫度特性 及正向伏安特性的研究 一、實驗?zāi)康?1了解PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式，了解用PN結(jié)測溫的方法。 2在恒流供電條件下，測繪PN結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其靈敏度和被測PN結(jié)材料的禁帶寬度。 3了解二極管的正向伏安特性，測量波爾茲曼常數(shù)。 二、實驗原理 （一）PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系 理想PN結(jié)的正向電流IF和壓降VF存在如下近似關(guān)系 qV IF?IsexF) （1） kT 其中q為電子電荷；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；Is為反向飽和電流，它是一個和PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)的系數(shù)，可以證明 qV

2、g(0)? （2） Is?CTexpkTr （注：（1），（2）式推導(dǎo)參考 劉恩科 半導(dǎo)體物理學(xué)第六章第二節(jié)） 其中C是與結(jié)面積、摻質(zhì)濃度等有關(guān)的常數(shù)：r也是常數(shù)；Vg(0)為絕對零度時PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)碾妱莶睢?將（2）式代入（1）式，兩邊取對數(shù)可得 ?kc VF?Vg(0)?In?qIF? 其中 ?kTr? T?InT?V1?Vn1 （3）?q? ?kcV1?Vg(0)?In?qIF? KTrVn1?InTq?T? 這就是PN結(jié)正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達式，它是PN結(jié)溫度傳感器的基本方程。令I(lǐng)F=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化，但是在方程（3）中，除線性項V1外還包含非線性

3、項Vn1項所引起的線性誤差。 設(shè)溫度由T1變?yōu)門時，正向電壓由VF1變?yōu)閂F，由（3）式可得 VF?Vg(0)?Vg(0)?VF1?TkT?T?1n? （4） T1q?T?1?r 按理想的線性溫度影響，VF應(yīng)取如下形式： VF理想?VF1?VF1(T?T1) （5） ?T ?VF1?V等于T1溫度時的F值。 ?T?T 由（3）式可得 Vg(0)?VF1k?VF1 ?r （6） ?TT1q 所以 ?Vg?VF1k?V理想?VF1?r?T?T1?Tq?1? （7） Tk?Vg(0)?Vg(0)?VF1?T?T1?rT1q? 由理想線性溫度響應(yīng)（7）式和實際響應(yīng)（4）式相比較，可得實際響應(yīng)對線性的理

4、論偏差為 kkTT?V理想?VF?r?T?T1?Ln()r （8） qqT1 設(shè)T1=300k，T=310k，取r=3.4*,由（8）式可得?=0.048mV，而相應(yīng)的VF的改變量約20mV，相比之下誤差甚小。不過當(dāng)溫度變化范圍增大時，VF溫度響應(yīng)的非線性誤差將有所遞增，這主要由于r因子所致。 綜上所述，在恒流供電條件下，PN結(jié)的VF對T的依賴關(guān)系取決于線性項V1，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是PN結(jié)測溫的依據(jù)。必須指出，上述結(jié)論僅適用于雜質(zhì)全部電離、本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間(對于通常的硅二極管來說，溫度范圍約-50150)。如果溫度低于或高于上述范圍時，由于雜質(zhì)電離因子減小或本

5、征載流子迅速增加；VFT關(guān)系將產(chǎn)生新的非線性，這一現(xiàn)象說明VFT的特性還隨PN結(jié)的材料而異，對于寬帶材料（如GaAs）的PN結(jié)，其高溫端的線性區(qū)則寬；而材料雜質(zhì)電離能?。ㄈ鏘nSb）的PN結(jié)，則低溫端的線性范圍寬，對于給定的PN結(jié)，即使在雜質(zhì)導(dǎo)電和非本征激發(fā)溫度范圍內(nèi)，其線性度亦隨溫度的高低而有所不同，這是非線性項Vn1引起的，由Vn1對Td2Vn11dVn1?可知的二階導(dǎo)數(shù)的變化與T成反比，所以VF-T的TdTdT2 線性度在高溫端優(yōu)于低溫端，這是PN結(jié)溫度傳感器的普遍規(guī)律。 此外，由（4）式可知，減小IF，可以改善線性度，但并不能從根本上解決問題，目前行之有效的方法大致有兩種： 1、對管的

6、兩個be結(jié)（將三極管的基極與集電極短路與發(fā)射極組成一個PN結(jié)），分別在不同電流IF1，IF2下工作，由此獲得兩者電壓之差（VF1- VF2）與溫度成線性函數(shù)關(guān)系，即 VF1?VF2?kTIF1 (9) InqIF2 由于晶體管的參數(shù)有一定的離散性，實際與理論仍存在差距，但與單個PN結(jié)相比其線性度與精度均有所提高，這種電路結(jié)構(gòu)與恒流、放大等電路集成一體，便構(gòu)成集成電路溫度傳感器。 2、 Okira Ohte等人提出的采用電流函數(shù)發(fā)生器來消除非線性誤差。由（3）式可知，非線性誤差來自Tr項，利用函數(shù)發(fā)生器，使IF比例于絕對溫度的r次方，則VFT的線性理論誤差為?=0，實驗結(jié)果與理論值頗為一致，其精

7、度可達0.01。 （二）PN結(jié)的伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測量 由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，PN結(jié)的正向電流-電壓關(guān)系滿足： eU/KTI?Ie?1 (10) 0 ? 式(10)中I是通過PN結(jié)的正向電流，I0是反向飽和電流，在溫度 恒定是為常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，e是電子的電荷量，U為PN結(jié)正向壓降。由于在常溫(300K)時，kT/e0.026v ，而PN結(jié)正向壓降約為十分之幾伏，則e 略，于是有： eU/KTI?Ie0 (11) eU/KT>>1,(10)式括號內(nèi)-1項完全可以忽 也即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測得PN結(jié)I-U 關(guān)系值，則利用(10)式可以求出e/kT。在測得

8、溫度T后，就可以得到e/k常數(shù)，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)k。 在實際測量中，二極管的正向I-U關(guān)系雖然能較好滿足指數(shù)關(guān)系，但求得的常數(shù)k往往偏小。這是因為通過二極管電流不只是擴散電流，還有其它電流。一般它包括三個部分： 1擴散電流，它嚴格遵循(11)式； 2耗盡層復(fù)合電流，它正比于eeU/2KT； 3表面電流，它是由Si和SiO2界面中雜質(zhì)引起的，其值正比 于eeU/mKT,一般m>2。 因此，為了驗證(11)式及求出準(zhǔn)確的e/k常數(shù)，不宜采用硅二極管，而采用硅三極管接成共基極線路，因為此時集電極與基極短接，集電極電流中僅僅是擴散電流。復(fù)合電流主要在基極出現(xiàn)，測量集

9、電極電流時，將不包括它。實驗中若選取性能良好的硅三極管，并且又處于較低的正向偏置，這樣表面電流影響也完全可以忽略，所以此時集電極電流與結(jié)電壓將滿足(11)式。 三、實驗儀器 實驗裝置由測試儀、樣品架、樣品室等單元組成，如下圖所示： （一）樣品架和樣品室 樣品架的結(jié)構(gòu)如圖所示，其中A為樣品室，是一個可卸的筒狀金屬容器，筒蓋內(nèi)設(shè)橡皮0圈蓋與筒套具相應(yīng)的螺紋可使用兩者旋緊保持密封，待測PN結(jié)樣管（采用3DG6晶體管的基極與集電極短接作為正級，發(fā)射極作為負極，構(gòu)成一只二極管）和測溫元件（AD590）均置于銅座B上，其管腳通過高溫導(dǎo)線分別穿過兩旁空芯細管與頂部插座P1連接。加熱器H裝在中心管的支座下，其

10、 發(fā)熱部位埋在銅座B的中心柱體內(nèi)，加熱電源的進線由中心管上方的插孔P2引入，P2和引線（高溫導(dǎo)線）與容器絕緣，容器為電 源負端，通過插件P1的專用線與測試儀機殼相連接地，并將被測 PN結(jié)的溫度和電壓信號輸入測試儀。如下圖所示： （二）測試儀 測試儀由恒流源、基準(zhǔn)電源和顯示等單元組成。恒流源有兩組，其中一組提供IF，電流輸出范圍為0-1000A連續(xù)可調(diào)，另一組 用于加熱，其控溫電流為0.1-1A，分為十檔，逐檔遞增或減0.1A，基準(zhǔn)電源亦分兩組，一組用于補償被測PN結(jié)在0或室溫TR時的 正向壓降VF（0）或VF（TR），可通過設(shè)置在面板上的“?V調(diào)零” 電位器實現(xiàn)?V=0，并滿足此時若升溫，?V

11、<0；若降溫，則?V>0，以表明正向壓降隨溫度升高而下降。另一組基準(zhǔn)電源用于溫標(biāo)轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)，因本實驗采用AD590溫度傳感器測溫，其輸出電壓以1mV/k正比于絕對溫度，它的工作溫度范圍為218.2423.2k（即-55150），相輸出電壓為218.2423.2mV。要求配置412位的LED顯示器，為了簡化電路而又保持測量精度，設(shè)置了一組273.2mV（相當(dāng)于AD590在0時的輸出電壓）的基準(zhǔn)電壓，其目的是將上述的絕對溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)。則對應(yīng)于-55150的工作溫區(qū)內(nèi)，輸給顯示單元的電壓為-55150mV。便可采用量程為200.0mV的31/2位LED顯示器進行溫度測量。另一組量程

12、為1000mV的31/2位LED顯示器用于測量IF，VF和?V，可通過“測 量選擇”開關(guān)來實現(xiàn)。 測量的框圖如下所示 DS為待測PN結(jié)：RS為IF的取樣電阻；開關(guān)k起測量選擇與 極性變換作用，其中R、P測IF；P、D測VF；S、P測?V。 四、 實驗內(nèi)容 （一）實驗系統(tǒng)檢查與連接 A 取下樣品室的簡套（左手扶筒蓋，右手扶筒套順時針旋轉(zhuǎn)），查待測PN結(jié)管和測溫元件應(yīng)分放在銅座的左、右兩側(cè)圓孔內(nèi)，其管腳不與容器接觸，然后放好筒蓋內(nèi)的橡皮0圈，裝上筒套。 B 控溫電流開關(guān)應(yīng)放在“關(guān)”位置，此時加熱指示燈不亮。接上加熱電源線和信號傳輸線。兩者連線均為直插式，在連接信號線時，應(yīng)先對準(zhǔn)插頭與插座的凹凸定位

13、標(biāo)記，再按插頭的緊線夾部位，即可插入。而拆除時，應(yīng)拉插頭的可動外套，決不可魯莽左右轉(zhuǎn)動，或操作部位不對而硬拉，否則可能拉斷引線影響實驗。 實驗儀器線路已接好，由老師演示，同學(xué)們無需再調(diào)。 （二）PN結(jié)正向壓降溫度特性 1、VF（O）或VF（TR）的測量和調(diào)零 將樣品室埋入盛有冰水（少量水）的杜瓦瓶中降溫，開啟測試儀電源（電源開關(guān)在機箱后面，電源插座內(nèi)裝保險絲），預(yù)熱數(shù)分鐘后，將“測量選擇”開關(guān)（以下簡稱K）撥到IF，由“IF調(diào)節(jié)”使IF=50A，待溫度冷卻至0時，將K撥到VF，記下VF（0）值，再將K置于?V，由“?V調(diào)零”使?V=0。 本實驗的起始溫度TS從室溫TR開始，只測Si管，按上述所

14、列 步驟，測量VF（TR）并使?V=0。 2、測定?VT曲線 開啟加熱電源（指示燈即亮），逐步提高加熱電流進行變溫實驗，并記錄對應(yīng)的?V和T，至于?V、T的數(shù)據(jù)測量，按?V每改變10 mV立即讀取一組?V、T，這樣可以減小測量誤差，直至 ?V=-180mV。應(yīng)該注意：在整個實驗過程中，升溫速率要慢。且溫度不宜過高，最好控制在120左右。 3、求被測PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度S（mv/）。 作?VT曲線（使用Origin軟件工具），其斜率就是S。 4、估算被測PN結(jié)材料硅的禁帶寬度Eg(0)=qVg(0)電子伏。 根據(jù)（6）式，略去非線性，可得 Vg?VF(0)?VF(0)?T?VF(27

15、3.2)?S?T T ?T=-273.2K，即攝氏溫標(biāo)與凱爾文溫標(biāo)之差。將實驗所得的Eg（0）與公認值Eg（0）=1.21電子伏比較，求其誤差。 （三）PN結(jié)的正向伏安特性的研究【選作】 1、在室溫下，通過“IF調(diào)節(jié)”，觀察VF，每個10mV記錄VF和IF，直到IF接近或達到1000uA。 2、用作圖法求出玻爾茲曼常數(shù)。e為電子電量（1.602210-19C）。 五、思考題 1測VF（0）或VF（TR）的目的何在？為什么實驗要求測?VT 曲線而不是VFT曲線。 2測?VT曲線為何按?V的變化讀取T，而不是按自變量T取?V。 附錄一、QS-J型PN結(jié)正向壓降溫度特性實驗組合儀 QS-J型PN結(jié)正

16、向壓降溫度特性實驗組合儀是了解集成電路溫度傳感器工作原理的關(guān)鍵物理實驗，也是集電學(xué)和熱學(xué)為一體 的一個綜合實驗儀器，適用于大專院校的普通物理實驗和有關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)實驗。 儀器設(shè)計合理、性能優(yōu)異、讀數(shù)直觀、安全可靠，全套設(shè)備的實物照片如下。 它由測試儀和樣品室兩部分組成。有關(guān)測試儀的框圖和樣品室結(jié)構(gòu)，請見實驗講義。 一、 主要技術(shù)指標(biāo) 1樣管工作電流：01000A，連續(xù)可調(diào)，分辨率為1A，負載穩(wěn)定度優(yōu)于10-3。 2溫度傳感器的測量誤差不大于0.5。 3電流、電壓和溫度的測量分別采用兩組31/2位LED顯示，精度不低于0.5%。 4加熱電流：0.11A，分十檔，逐檔遞增或減0.1A，最大輸出負載電壓15V。 二、 使用說明 1按實物照片組裝樣品架。 2將兩端帶插頭的四芯屏蔽電纜一端插入測試儀的“信號輸入”插座，另一端插入樣品室頂部插座。連接時，應(yīng)先將插頭與插座的凹凸定位部位對準(zhǔn)，再按插頭的緊線夾部位，便可插入；在拆除時，只要拉插頭的可動外套部位即可，切勿扭轉(zhuǎn)或硬拉，以免斷線。打開電源開關(guān)（在機箱背后）,兩組顯示器既有指示，如發(fā)現(xiàn)數(shù)字亂跳或溢出（即首位顯示“1”，后三位不顯示），應(yīng)查信號耦合電纜插頭是否插好或電纜芯線有否折斷或脫焊和查待測PN結(jié)和測溫元件管腳是否與容器短路或引線脫落。 3將“測量選擇