PN结正向电压温度特性研究.docx

实验题目：PN结正向电压温度特性研究

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。

实验仪器：

样品架、测试仪、加热器

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。

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，除线性项V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差。

按理想的线性温度影响，VF应取如下形式：

等于T1温度时的值。

实际响应对线性的理论偏差为
设T1=300°k，T=310°k，取r=3.4*，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，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。

数据处理及结论：

实验起始温度；工作电流；
起始温度TS为时的正向压降

ΔV
/mVT（升温）T（降温）升温电流
/A°CK°CK-1024.0297.223.7296.90.1-2028.4301.628.0301.20.2-3032.8306.032.5305.70.2-4037.1310.337.1310.30.3-5041.5314.741.7314.90.3-6046.0319.246.0319.20.3-7050.4323.650.7323.90.3-8054.9328.155.2328.40.3-9059.1332.359.6332.80.3-10063.6336.863.9337.10.4-11068.1341.368.6341.80.4-12072.6345.873.1346.30.5-13077.1350.377.4350.60.5-14081.6354.882.3355.50.5-15085.9359.186.8360.00.5-16090.3363.591.3364.50.5-17094.7367.995.3368.50.5-18099.1372.399.4372.60.5T-ΔV关系曲线1(升温)
T-ΔV关系曲线1(升温)LinearRegressionforData1_B:
Y=A+B*X

Parameter Value Error
A 597.39275 0.75769
B -2.01418 0.00221

R SD
N P
-0.999990.22208
18 <0.0001
T-ΔV关系曲线2(降温)
T-ΔV关系曲线2(降温)LinearRegressionforData1_B:
Y=A+B*X

Parameter Value Error
A 573.13916 3.16569
B -1.95301
0.00921

R SD
N P
-0.999860.96153
18 <0.0001
小结斜率斜率偏差截距截距偏差升温曲线-2.014180.