pn结正向压降温度特性研究

1、pn结正向压降温度特性研究【实验目的】1、了解pn结止向压降随温度变化的基本关系式.2、在恒定正向电流下，测绘pn结正向压降随温度变化曲线，并由此确 定其灵敏度.3、学习用pn结测温的方法.【实验仪器】1、dh-pn-1型pn结止向压降温度特性实验仪【实验原理】1> pn 结在一块完整的硅或错上用不同的工艺掺入杂质，使得其一半成为p型 半导体，而另一半成为n型半导体，那么，在这两种半导体的交界处就会形成 pn结.在p型与n型半导体结合后，由于p型半导体具有较高浓度的空穴，而 n型半导体具有较高浓度的自由电子，在他们交界处的两边就出现了电子 与空穴的浓度差别从而，电子与空穴都要朝着较低浓度

2、的方向扩散这种扩 散作用，使得在p、n交界处之间形成了具有一定大小的扩散电流.另一方面，由于p型半导体中空穴的流失，使得p型半导体中留下了一 定量带负电的离子;而n型半导体中由于电子的流失/吏得其屮留下了一定 量的正离子由于正负电荷之间的相互作用,使得在交界薄膜中形成了从n型半 导休指向p型半导体的空间电场而空间电场的形成使得一部分的空穴与电子沿与扩散相反的方向运动，形成漂移电流.空穴与自由电子的扩散使得空间电场增强，而空间电场的增强却又抑制空穴与电子的扩散，从而，在一段时间之后，扩散电流将与漂移电流达到动态平衡而在p型与n型半导体 的两侧则会留下不能自由移动的离子薄层，而这个离子薄层 在p、

3、n半导体交界血附近所构成的过渡区(空间电荷区)，图1 pn结即称为pn结.2、pn结的正向压降温度特性根据pn结理论,pn结的伏安特性可表达如下：?quf?(1-1) if?io?e?l?式中if为通过pn结的正向电流'uf为其正向电压,10为反向饱和电流; q为电子的电荷量t为绝对温度k?1.38?10?23j/k是玻尔兹曼常量当正向电 压uf?0.1v时,equf?e3.9?501z故上式可近似为if?ioe由式(1-2)得quf(1-lnlf?l nioequfqu?lnlf?lnlo?f又io?bte?quglnlf?ln bt?q?uf?ug? (1-3) btuf?ug?k

4、t?ln?f?式(1-3)即为pn结两端正向电压与其温度、通过电流z间的关系. 英中，ug为0k时材料的导带底与价带?顶间的电势差,b是与温度无关的实验常数,t是与温度有关的函数 项,？为与热激发所引起的电子迁移率有关的系数.取if为一常数，则(13)式转化为通过pn结的电压uf与pn结温度t 之间的关系.对uf取一阶导数，得?duf?k?ln盯？(1-4) ?f?dtduf即代表了 uf?t图线的斜率，由(1-4)可以看出，斜率为负,uf随温 度t的上升而下降.dt对uf取二阶导数，得d2ufk?(1-5) 2dt其中，k?1.38?10?23 q?1.60?10?19z取？3.4；t?29

5、315 得， d2ufk?6?1.0?10?0 2dt即，uf?t图线的斜率可近似认为一常数,uf?t可近似认为是一条直线. 根据(1-3)式?u?ktln?ktlnt?(1-6) btuf?ug?kt?ln?g?f?f?设'温度为t1时，电势差为u1ul?ug?ktllnf?ktllntl?乂ug?uf?ktln?ktlnt? f?ktltl?ul?ug?ug?uf(1-7)in?得由上推导可知，uf应与t呈线性关系，故设?t1u?t1?uf?t?u?uf?uf?(g?uf?uft1?t? ?k?)?tl?t?ug?uf?tl?k?tl?t?(1-8)k?令u?u?tl?ul?tl?

6、t?ktm?ln?(1-9)?设t?300k、t1?31ok,取?3.4可得u?0.048mv,而相应的正向压降则改 变了 20mv,差值约为417倍湘比之下，误差甚小.不过当温度变化过大之后 uf?t图线的线性误差将有所递增.由于uf与t呈很好的线性相关性，故 可利用uf的细微变化来测量当前环境的温度这也是温敏二极管测温的基 本原理.【实验步骤】1、打开pn结正向压降温度特性实验仪并调节加热电流值为零,记录起 始温度.2、将“测量选择”开关调节到if档，调节if旋钮，使得面板上if的值 为零.3、将“测量选择”开关调节到uf档，记下初始时的uf值.4、将“测量选择”开关调节到u,调节调零旋钮

7、，使得u?0.5、调节加热电流为0.500a,并记录所对应的u和t值当u每改变10mv 时记录一次t值直到pn结温度达到大约100°c为止.6、画出u?t图像，并求被测pn结正向压降随温度变化的灵敏度s?mv/°c?. 8、估算被测pn结材料的禁带宽度eg?qug.9、实验结束，收拾仪器.注意事项1、加热装置的温升不应超过120°c,长期的过热使用，将造成接线老化, 甚至脱焊.2、加热电流不应大于0.500a,若长期使加热电流过大，会使得仪器未来 的加热效率变低3、使用完毕后即应切断电源,以避免长时间加热引起的安 全事故.【实验数据整理】表一：ut测量数据其中,初

8、始正向电压u0?667mv.【数据处理过程及结论】数据处理1、根据数据，画出u?t图像如下detut2通过线性拟合，得到 u?2.03t?37.75,r?0.999952、由u?2.03t?37.75得到被测pn结止向压降随温度变化的灵敏度为: s?2.03mv/°c. 3、被测pn结材料的禁带宽度eg?qug?q?uo?st?q667?2.03?(18.2?273.15) ?1.26ev实验结论k通过本次实验，测得pn结两端止向电压与其上的温度变 化呈很好地线性关系判断是因为温度升高导致p、n型半导体更容易激发 出空穴与自由电子加正向电压时，由于载流子浓度的上升，使得漂移作用更 加明显，pn结的导电能力增强宏观上表现为pn结的电阻降低，故在相同的正 向电流if下，温度上升将导致pn结的正向电压uf下降故以此推测:由于在温度过高的情况下,pn结内载流 子浓度的迅速增加（温度上升，使得空穴与自由电子的运动速度上升，在一 定程度后，它们将有足够的能量撞击半导体分子，使得共价键被破坏，逸出更 多的电子儿这将导致pn结的正电压迅速下降，故原理中的线性推导在温度 过