PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究.doc

PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究一、实验目的了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式，了解用PN结测温的方法。在恒流供电条件下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此拟定其灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度。了解二极管的正向伏安特性，测量波尔兹曼常数。二、实验原理（一）PN结正向压降与温度的关系抱负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）按抱负的线性温度影响，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）由抱负线性温度响应（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。但是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，这重要由于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，上述结论仅合用于杂质所有电离、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℃)。假如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长；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，但并不能从主线上解决问题，目前行之有效的方法大体有两种：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(9)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。2、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，运用函数发生器，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℃。（二）PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN结的正向电流-电压关系满足：(10)式(10)中I是通过PN结的正向电流，I0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T是热力学温度，是电子的电荷量，U为PN结正向压降。由于在常温(300K)时，/≈0.026v，而PN结正向压降约为十分之几伏，则>>1,(10)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：(11)也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN结I-U关系值，则运用(10)式可以求出/。在测得温度T后，就可以得到/常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数。在实际测量中，二极管的正向I-U关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数往往偏小。这是由于通过二极管电流不只是扩散电流，尚有其它电流。一般它涉及三个部分：[1]扩散电流，它严格遵循(11)式；[2]耗尽层复合电流，它正比于；[3]表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于,一般m>2。因此，为了验证(11)式及求出准确的/常数，不宜采用硅二极管，而采用硅三极管接成共基极线路，由于此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流重要在基极出现，测量集电极电流时，将不涉及它。实验中若选取性能良好的硅三极管，并且又处在较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全可以忽略，所以此时集电极电流与结电压将满足(11)