结正向电压温度特性研究样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。实验9PN结正向电压温度特性研究【目的和要求】1．了解PN结正向电压随温度变化的基本规律。2．测绘恒流条件下PN结正向电压随温度变化的关系图线。3．确定PN结的测温灵敏度和被测PN结材料(硅)的禁带宽度。【实验原理】PN结温度传感器具有灵敏度高、线性较好、热响应快和体小轻巧易集成化等优点,应用日益广泛。但其测温范围局限性较大(一般为－50~150℃),这还有待于进一步改进和开发。1．PN结温度传感器的基本方程理想PN结的正向电流IF和正向电压VF在常温VF＞0.1V时,存在如下近似关系式:IF=Isexp(－)43-(1)式中q为电子电量,K为玻尔兹曼常数,T为热力学温度,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。能够证明:Is=CTrexp(－43-(2)式中C是与PN结的结面积、掺杂浓度等有关的常数,K为玻尔兹曼常数,r在一定范围内也是常数,Vg(0)为热力学温度OK时PN结材料的导带底与价带顶的电势差,对于给定的PN结材料,Vg(0)是一个定值。将公式(2)代入公式(1),两边取对数,整理后可得:43-(3)其中,Vr=式(3)是PN结正向电压作为电流和温度函数的表示式,它是PN结温度传感器的基本方程。2．PN结测温原理和温标转换对给定的PN结材料,在允许的温度变化区间内,在恒流供电条件下,PN结的正向电压VF对温度的依赖关系取决于线性项V1,正向电压VF几乎随温度升高而线性下降。即43-(4)这就是PN结测温的依据。定义为PN结温度传感器灵敏度则VF(T)=Vg(0)－ST43-(5)温度T是热力学温度,在实际使用时会有不便之处,为此,我们进行温标转换,采用摄氏温度t来表示。即T=273.2+t令VF在室温tR时的值为VF(tR),则值为VF(tR)=Vg(0)－S(273.2+tR)43-(6)联立(5)(6):△V(t)=VF(t)－VF(tR)=StR-St43-(7)当t=tR℃时,△V=03．灵敏度S的计算由(7)得:43-(8)即△V(t)－t曲线的斜率。4．确定PN结材料的禁带宽度PN结材料的禁带宽度Eg(0)定义为电子的电量q与热力学温度OK时PN结材料的导带底和价带顶的电势差Vg(0)的乘积,即由公式(6),可得Eg(0)=qVg(0)=q[VF(tR)+S(273.2+tR)]43-(9)【实验仪器】(一)加热测试装置H如图43-(1)所示,A为可拆卸的隔离圆筒;B为测试圆筒块,被测PN结和温度传感器AD590均装于其上;加热器E装于铜块中心柱体内,通达热隔离后与外壳固定;引线经过高温导线连至顶部插座H,再由顶部插座用专用导线连至测试仪;G为加热器电源插座,接至测试仪的”5”端。A隔离圆筒B测试圆铜块C测温元件D被测PN结E加热器F隔离块G加热电源插座H信号输出插座GEFDACB图43-1(二)FB302型PN结实验仪145610111278923图43-2PN结测试仪面板示意图1、加热指示2、△V、VF、IF显示3、温度显示4、温度校准5、加热电源输出端6、测试信号输出端7、VT输出端8、△V输出端9、△V、VF、IF选择开关10、IF调节11、△V调节12、控温电流选择【实验内容】1．按图43-3所示进行连线。控温电流开关置”关”位置,接上加热电源线和信号传输线,两者连接均为直插式。在连接信号线时,应先对准插头与插座的凸凹定位标记,再按插头的紧线夹部位,即可插好。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。图43-3实验连线图2．打开电流开关,预热几分钟后,此时测试仪上将显示出室温机,与标准温度计上的指示值相比较,以防系统误差。记录起始温度tR。3．将测量选择开关拨到IF,由IF调节使IF=50uA,再将K拨到VF,记下VF(tR)值,然后将K置于△V,由”△V调零”使△V=0。4．开启加热电流(指示灯亮),逐步提高加热电流进行变温实验,温控电流范围0.2A—0.5A。测定△V—T曲线,每改变10mV立即读取一组△V,T值。整个实验过程升温要慢,温度控制在120℃以内。完成表43-1,表43-2。tRVF(tR)IF温控电流表43-1n△V(mV)t℃T=273.2+tR1-102-203456789101112-120表43-2【数据处理】1．以T作横坐标,△V作纵坐标,作△V-T图线。2．在直线上取两点,采用两点式求斜率的方法,计算PN结温度传感器灵敏度S。3．根据43-(9)计算PN结材料的禁带宽度,利用计算出的Vg(0)和S值,求Eg(0),并与其公认值1.21eV比较,求相对误差。【思考题】1．为什么实验要求测△V-T曲线,而不是VF-T曲线