PN结的伏安特性与温度特性测量
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 与压降VF 存在如下近似关系
式中,q 为电子电量,K=1、38×10－23J?K-1为玻尔兹曼常数,T 为热
力学温度,Im 为反向饱与电流,它的大小
其中C 就是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数;γ就是热学中的比热比,也就是一个常数;Vg(0)就是热力学温度T=0 时,PN 结材料的能带结构中,它的导带底、价带顶之间的电势差—8212 —半导体材料的能带理论中,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
(3)
其中,。式(3)就是PN 结温度传感器的基本方程。当正向电流IF为常数时,V1 就是线性项,Vn1 就是非线性项,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,γ=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T
的升高而线性地下降,这就就是PN 结测温的依据。我们正就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℃—50℃,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。更为重要的就是,对于给定的PN 结,即使在杂质导电与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Vn 1 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,这就是PN 结温度传感器的普遍规律。同时从式(1)、(2)、(3)可以瞧出,对给定的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 结的结电压be U 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I ＝100μA 。同时用电桥测量铂电阻T R 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5℃－10℃测一定be U 值(即V 1)与温度θ(℃)关系,求得T U be -关系。
当PN 结通过恒定小电流(通常电流I ＝1000μA),由半导体理论可得be U 与T 近似关系:
go be U ST U += (3)
式中S ≈－2、3C mV o
/为PN 结温度传感器灵敏度。由go U 可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go E ＝go qU 。硅材料的go E 约为1、20eV 。 【实验内容与步骤】
1、VF(tS)的测量与调零
(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=50μА,记录初始测量温度tS(一般与当时的室温tR 相同),再将K 拨到VF 的位置,记下VF(tS)值,最后将K 置于ΔV 的位置,由“ΔV 调零”使ΔV=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。
(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ΔV 与T,为了减小测量误差,便于处理数据,实验中按ΔV 每改变10mV 或15mV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ΔV 与T,为了减小测量误差,便于处理数据,实验中按ΔV 每改变10mV 或15mV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℃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50μА上。
3.ΔV 在实验开始时应调零,在实验过程中不可再调节。
【数据记录及处理】
1、实验起始温度tS= ____℃起始正向压降VF(tS)= ____mV 工作电流IF=____μА
控温电流(A)ΔV(mV)t1(℃)T=(273、1+t1) (K)