温度对pn结正交压降及伏安特性的影响

温度对pn结正交压降及伏安特性的影响

在兰州大学的实验课程中，我们提供了两个关于半球形pn结性能的实验项目。研究了pn结的正压降随温度变化的关系，以及室温内各管内的伏安特性。实际上PN结的伏安特性是与温度有关的,通过温度变化作为桥梁,可以把两个实验研究的内容有机地融合起来,使学生对PN结的温度特性有更加全面的认识。然而,系统深入地研究PN结电气特性随温度变化的规律需要昂贵的实验设备和苛刻的实验环境,这对于大多数学校而言是不现实的。本文认真分析了两个实验的内在关系,利用现有的实验装置,对实验内容和方法进行改进,有效获取了不同温度下PN结的电压与电流数据,研究了PN结的正向压降在不同电流条件下对温度变化的灵敏度;PN结的正向伏安特性及其随温度变化的规律;PN结的反向饱和电流以及玻尔兹曼常数的测定等。实验内容丰富,实验方法新颖,不仅加深了学生对PN结的电气特性的全面理解,还启发了学生有层次地展开思考和探究,有利于培养学生认真细致的操作习惯和创新精神。1实验原理1.1pn结有效测温根据半导体物理的理论,理想PN结的正向电流和正向压降关系满足肖克莱方程:ΙF=ΙS[exp(eUFkΤ)-1](1)IF=IS[exp(eUFkT)−1](1)其中IF为通过PN结的正向电流;UF为PN结正向压降;e为电子的电荷量;k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;IS为PN结反向饱和电流,它与PN结材料的禁带宽度以及温度有关。可以证明:ΙS=CΤrexp(-eUg0kΤ)(2)IS=CTrexp(−eUg0kT)(2)其中,C是与PN结的结面积及掺杂浓度有关的常数,r在一定温度范围内也是常数,Ug0为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶电势差,对于给定的PN结材料,Ug0为定值。式(1)代入式(2),两边取对数,整理得UF=Ug0-(kelnCΙF)Τ-krΤelnΤ(3)UF=Ug0−(kelnCIF)T−krTelnT(3)可以证明,忽略式中最后的非线性项给UF带来的误差很小,即:UF=Ug0-(kelnCΙF)Τ(4)UF=Ug0−(kelnCIF)T(4)在允许的温度范围内,在恒流供电的条件下,PN结的正向压降可以近似地认为随温度升高而线性下降,即式(4)可改写为:UF=Ug0-sT(5)测量不同温度下的正向压降,即可以确定正向压降随温度变化的灵敏度系数s,从而可以用PN结实现测温的目的。同时,还可以获得PN结的导带底和价带顶的电势差Ug0,算出材料的禁带宽度Eg0=eUg0。此外,改变通过PN结的恒定电流进行实验,可以获得s在不同电流条件下的信息。1.2pn结的正向伏安特性根据肖克莱方程,PN结的正向电流IF与正向电压UF满足指数函数关系,且与温度有关。由式(1)可知,PN结的正向伏安特性曲线随温度升高有向左移的趋势,如图1所示。测绘PN结的正向伏安特性曲线,首先使PN结置于恒定的温度下,改变电压测出对应的电流,或改变电流测出对应的电压,则可以得到该温度下的伏安关系。改变温度,重复上述步骤即可测绘出不同温度下的伏安特性曲线。2加热电流对伏安特性的影响TH-J型PN结正向压降温度特性测试仪是用于测绘恒定正向电流下PN结正向电压降随温度变化特性曲线的仪器,其结构如图2所示。实验时把被测的PN结(常用金封三极管3DG6的发射结作为样品)置于密闭温室内(如图3所示),利用恒定电流源驱动发热丝使密室内温度缓慢上升,密室壁由一个十分厚的金属圆筒制成,筒内外热传递十分缓慢,只要恰当地调节加热电流的大小,使热传递处于动态平衡状态,可以在相对较长的一段时间内维持密室的温度基本不变。此时,快速地改变加在PN结上的电流IF,读出其正向电压UF,即可获得在此温度下的伏安特性数据。为了使温度更稳定和容易控制,实验时先把温度上升到比目标温度高5℃,然后减小加热电流,让温度缓慢下降,接近目标温度时,仔细调节加热电流,使温度维持稳定,并快速记录数据。改变温度,重复上述操作,即可得到不同温度下的伏安特性数据。3结果与分析3.1实验数据本实验以金封三极管3DG6的发射结作为被测PN结样本,测量了不同温度下的正向电流IF和正向电压UF的数据,如表1所示。3.2温度对社会主义曲线进行线性拟合的结果根据表1数据绘出不同电流下的正向压降与温度的关系曲线如图4所示。由图可知,电流恒定时正向压降随温度的上升而下降;随着电流增加,曲线向上平移,电压增大,但电压的变化率没有改变。对曲线进行线性拟合,设拟合公式为UF=-sT+U0(6)对不同电流下的正向压降随温度变化的关系曲线进行线性拟合的结果如表2所示。由表可知,不同电流下,正向压降与温度的关系均符合线性关系。线性系数s的平均值为2.16mV/℃,1/s为0.46℃/mV,此即PN结用于测温时的灵敏度。3.3温度变化时的曲线根据不同温度下PN结的正向电压与正向电流数据作出其伏安特性曲线如图5所示。由图可知,实验数据反映了PN结的正向伏安特性以及其随温度变化的趋势,具体可以得到如下结论:(1)随着温度的上升,PN结的伏安特性曲线向左移;(2)若正向电流不变,则正向电压随着温度上升而线性下降;(3)若正向电压不变,则正向电流随温度上升而急剧上升。对上述曲线进行指数拟合,设拟合公式为:IF=aexp(bUF)(7)对不同温度下的正向伏安特性曲线拟合的结果如表3所示。由表可知,不同温度下正向伏安特性曲线符合指数规律变化。3.4指数与其他指标的拟合由上所述,对于一个理想的PN结,正向电流与电压之间满足肖克莱方程ΙF=ΙS[exp(eUFkΤ)-1](8)IF=IS[exp(eUFkT)−1](8)由于exp(eUFkΤ)>>1(9)所以,式(8)可以表示为ΙF=ΙSexp(eUFkΤ)(10)式中,若e、k、T不变,则IF与UF满足指数关系。比较拟合曲线IF=aexp(bUF)与式(10),则有:a=IS(11)b=ekΤ(12)k=ebΤ(13)根据不同温度下拟合的曲线算出的玻尔兹曼常数和反向饱和电流如表4所示。由表可知,不同温度下反向饱和电流随温度的升高而增大;不同温度下玻尔兹曼常数基本一致,但与理论值相差较大,根据误差性质的分析可以断定实验存在一定的系统误差,考虑到实验过程中温度测控的误差因素最大,为了进一步提高测量精度,在室温下测量了一组数据如表5所示。指数拟合的结果如图6所示。因此:IS=2×10-8(μA)=2×10-14(A)(14)k=1.602×10-220.039×(273.2+24.9)=1.378×10-23(J/K)(15)与理论值k=1.381×10-23(J/K)的相对误差仅为0.2%。5pn结正向压降随温度变化的规律实验严格讨论PN结的电气特性,要考虑的因素很多,精确测量所需的设备也十分昂贵。但作为定性认识和验证,在一定的误差范围内,使用已有的仪器设备,进行简单的实验设计,实