大学物理实验PN结正向压降与温度特性的研究实验报告(完整).docx

PN结正向压降与温度特性的研究
一、实验目的
了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。
在恒流供电条件下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度。
学习用PN结测温的方法。
二、实验原理
理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系
（1）
其中q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
（2）
（注：（1），（2）式推导参考刘恩科半导体物理学第六章第二节）
其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r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
（3）
其中

这就是PN结正向压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IF=常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差。
设温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF，由（3）式可得
（4）
按理想的线性温度影响，VF应取如下形式：
（5）
等于T1温度时的值。
由（3）式可得
（6）
所以
（7）
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）
设T1=300°k，T=310°k，取r=3.4*,由（8）式可得∆=0.048mV，而相应的VF的改变量约20mV，相比之下误差甚小。不过当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r因子所致。
综上所述，在恒流供电条件下，PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1，即正向压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，温度范围约-50℃—150℃)。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本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性项Vn1引起的，由Vn1对T的二阶导数的变化与T成反比，所以VF-T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，目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IF1，IF2下工作，由此获得两者电压之差（VF1-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。
OkiraOhte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，
非线性误差来自Tr项，利用函数发生器，使IF比例于绝对温度的r次方，则VF—T的线性理论误差为∆=0，实验结果与理论值颇为一致，其精度可达0.01℃。
三、实验方法与内容
实验系统检查与连接
取下样品室的简套（左手扶筒盖，右手扶筒套顺时针旋转），查待测PN结管和测温元
件应分放在铜座的左、右两侧圆孔内，其管脚不与容器接触，然后放好筒盖内的橡皮0圈，装上筒套。0圈的作用是当样品室在冰水中进行降温时，以防止冰水渗入室内。
控温电流开关应放在“关”位置，此时加热指示灯不亮。接上加热电源线和信号传输线。
两者连线均为直插式，在连接信号线时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，再按插头的紧线夹部位，即可插入。而拆除时，应拉插头的可动外套，决不可鲁莽左右转动，或操作部位不对而硬拉，否则可能拉断引线影响实验。
实验仪器线路已接好，由老师演示，同学们无需再调。
VF（O）或VF（TR）的测量和调零
将样品室埋入盛有冰水（少量水）的杜瓦瓶中降温，开启测试仪电源（电源开关在机
箱后面，电源插座内装保险丝），预热数分钟后，将“测量选择”开关（以下简称K）拨到IF，由“IF调节”使IF=50μA，待温度冷却至0℃时，将K拨到VF，记下VF（0）值，再将K置于∆V，由“∆V调零”使∆V=0。
本实验的起始温度TS从室温TR开始，只测Si管，按上述所列步骤，测量VF（TR）并使∆V=0。
测定∆V—T曲线
取走冰瓶，开启加热电源（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对
应的∆V和T，至于∆V、T的数据测量，可按∆V每改变10或15mV立即读取一组∆V、