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PＮ结正向压降与温度关系的研究实验报告
班级:材物4１姓名:禇雨婷学号：２１４０9０6０0１
一、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结特性及玻尔兹曼常数k的测量：
由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PＮ结的正向电流与正向电压满足以下关系
=（exp-1）⑴
式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度,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》，1上式括号内的第二项可以忽略不计，于是有
⑵
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,二极管的正向关系虽能较好满足指数关系，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有如下关系
⑶
⑶式中，r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
⑷
其中

⑷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常数,则正向压降只随温度变化，显然，⑷式中除线性项外还含有非线性项，但可以证明当温度变化范围不大时(对硅二极管来说，温度范围在—５０℃-150℃)引起的误差可忽略不记。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降对环境温度T的依赖关系主要取决于线性项，即PN结的正向压降随温度升高而线性下降,这就是PＮ结测温的依据。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，关系的非线性变化将更为严重，说明特性还与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，这是非线性项引起的。由⑷式可以看出，减小，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)分别在不同电流下工作,得到两者电压差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）ΔT／T=ＶF(273。2）+Ｓ·ΔT（5）
ΔT＝—27３．2ºK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。
四、实验装置
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结的温度和电压信号输入测试仪。
测试仪由恒流源，基准电源和显示单元等组成.测量电路的框图如下图所示．Ds待测的PN结．恒流源１提供If,电流输出在0~1000A范围内连续可调，恒流源2用于加热,控温电流为0。１—1A，分为十档,每档改变电流0.1A。可根据不同的升温速度要求选择档位。基准电源主要用于“ΔV”的调零。

五、实验内容
１．测量玻尔兹曼常数k
在一定温度的条件下,测量的关系曲线，实验可在室温下进行。
2.测量PN结材料禁带宽度
将“测量选择”开关K拨到If，调节Iｆ＝５0μA，将K拨到ＶF,记下起始温度TS时的ＶF(TS)值,再将K置于ΔV,调节使ΔV=0。
测定ΔV-T关系曲线：打开电源开关，逐步提高加热电流，测量ΔV所对应的T值,ΔＶ每变化10mV记录T的值。测量时应注意