PN结的伏安特性与温度特性测量

1、PN结正向压降与温度特性的研究【实验目的】1. 研究pn结正向压降与温度之间的关系。2. 提出利用pn结的这个特性设计温度传感器的方案。【实验仪器】1. pn结物理特性实验仪。2. 保温杯。3. 开水、冰块等。【实验原理】1. 理想的pn结正向电流IF和压降 V 存在如下近似关系式中，q为电子电量，K=1.38 X 10 23J?K-1为玻尔兹曼常数，T为热Y是热学中的比热比，也是一个力学温度，Im为反向饱和电流，它的大小其中C是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数;势差一8212常数；Vg(O)是热力学温度T=0时，PN结材料的能带结构中，它的导带底、价带顶之间的电半导体材料的能带理论中

2、，把有电子存在的能量区域称作价带，空着的能量 区域叫导带，而电子不能存在的能量区域叫禁带。将式(2)带入式(1)，两边取对数可得吟=冬(0)- AinV-(lnl)二 X +匕1(3)其中，叫一乞(1口厂) 9 “丿q。式(3)是PN结温度传感器的基本方程。当正向电流 IF为常数时，V1是线性项，Vn1是非线性项，这时正向压降 只随温度的变化而变化，但其中的非线性项 Vn1引起的非线性误差很小（在室温下，丫 =1.4时 求得的实际响应对线性的理论偏差仅为0.048mV）。因此，在恒流供电情况下，PN结的正向压降VF对温度T的依赖关系只取决于线性项 V1，即在恒流供电情况下， 正向压降VF随温度

3、 T的升高而线性地下降，这就是PN结测温的依据。我们正是利用这种线性关系来进行实验测量。必须指出，上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间，对最常用的硅二极管，温度范围约为-50 C 50C,若温度超出此范围，由于杂质电离因子减小或本征激发的载流子迅速增加，VF T的关系将产生新的非线性。更为重要的是，对于给定的PN结，即使在杂质导电和非本征激发的范围内，其线性度也会随温度的 高低有所不同，非线性项Vni随温度变化特征决定了 VF T的线性度，使得VF T的线性 度在高温段优于低温段，这是PN结温度传感器的普遍规律。同时从式（1）、（2）、（3）可以看出，对给定

4、的PN结，正向电流IF越小非线性项越小，这说明减小 IF，可以改善线性度。2、PN吉的结电压Ube与热力学温度T关系测量。实验线路测温电路通过调节实验电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流1 = 100Ao同时用电桥测量铂电阻Rt的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，可得恒温器的实际湿度。从室 温开始每隔5C 10C测一定Ube值（即Vi）与温度C）关系，求得Ube T关系。当PN吉通过恒定小电流（通常电流I = 1000卩A）,由半导体理论可得 Ube与T近似关系：U be ST U go （3）式中S- 2.3 mV/°C为PN结温度传感器灵敏度。由Ugo可求出温度0K

5、时半导体材料的近似禁带宽度 Ego = qU go。硅材料的Ego约为1.20 。【实验内容与步骤】1.VF（ tS）的测量和调零（1 ）开启测试仪电源，电源开关在机箱后面，预热数分钟。（2）将“测量选择”开关（简称K）拨到IF的位置，由“ IF调节”使IF=50A，记录初始 测量温度tS（ 般与当时的室温tR相同），再将K拨到VF的位置，记下VRtS）值，最后将K置 于厶V的位置，由“ V调零”使厶V=0,准确记录以上数据。有时因实验失败，需要重新进行测量时，PN结所在处的温度无法降到室温，这时可根据实验条件选取一个合适的起始温度，记录下该温度值，即可开始测量，测量过程与上面完全相同。0.3

6、A，再逐步提高控温加热（1）开启加热电源（指示灯即亮），先将控温电流开关旋钮旋至电流，实验过程中每测量三个点控温电流增加0.1A即可。（2）记录对应的 V和T,为了减小测量误差,便于处理数据，实验中按厶V每改变10mV或15m立即读取一组数据，将数据填入拟定的表格中。2.测定曲线（1）开启加热电源（指示灯即亮），先将控温电流开关旋钮旋至0.3A，再逐步提高控温加热电流，实验过程中每测量三个点控温电流增加0.1A即可。（2）记录对应的 V和T,为了减小测量误差,便于处理数据，实验中按厶V每改变10mV或15m立即读取一组数据，将数据填入拟定的表格中。【注意事项】1 为保持加热均匀， 在整个实验过程中， 升温速率要慢，即控温电流一开始不可选择过大, 且最高温度最好控制在120 C左右。2在实验过程中应保证 PN结正向电流为恒定电流，并保持在50 yA上。3. A V在实验开始