PN结正向伏安特性与温度的研究.ppt

五邑大学第九届物理实验设计大赛PN结正向伏安特性随温度变化及玻尔兹曼常数测定实验设计
廖艺光黄宝亢杨晓良杨家欣
指导老师: 周党培
研究现状与目的
研究现状:
《大学物理实验》现有的实验项目:
(1)一定温度下PN结的伏安特性。
(2)PN结正向电压降随温度的变化。
研究目的:
利用现有的仪器开发两个与LED专业有关的实验
(1)PN结伏安特性随温度变化的规律
(2)玻尔兹曼常数的测定
实验原理
根据半导体理论,PN结的正向电流与电压满足肖克莱(Shockley) 方程
正向电流

正向电压
某一温度下的反向饱和电流
电子电量
热力学温度
玻尔兹曼常数
典型硅二极管的伏安特性曲线
1、测出某一温度下正向电流与电压即可得伏安特性曲线,改变温度,则可绘制出伏安特性随温度变化的曲线;
2、在某一温度下,Is是个定值,由此可以通过If和Vf的测量数据拟合出上述指数曲线,从而可得到玻尔兹曼常数k。
实验仪器与步骤
把PN结(三极管3DG6的发射结)置于恒温室内;
调节控温电流It,使温度达到某一恒定值;
在此温度下,调节通过PN结的电流If,测量相应的正向电压降Vf,描绘出在此温度下的伏安特性曲线;
改变温度,测绘不同温度下的伏安特性曲线。
实验仪器:TH-J型PN结正向电压降温度特性测试仪
实验步骤:
实验结果与分析
50℃-80℃每隔5℃,正向电流从5uA-500uA下PN结正向电压变化的测量数据
一、PN结伏安特性随温度变化数据处理及分析
曲线特征:
PN结的伏安特性曲线随温度升高而向左移。
结论:
同一温度下VA为非线性。
同一电流下,电压随温度上升线性下降。
同一电压下,电流随温度上升急剧增加。
说明问题:
在一定的工作电压下(),由于LED芯片发热或外部温度的轻微上升,将会导致电流急剧增加,从而使LED的功耗增加,温升更快,造成恶性循环,LED很快烧毁。
实验结果与分析
对于一个理想的PN结,正向电流与电压有:
利用Excel对测得的和数据做指数拟合,可得曲线方程为
二、玻尔兹曼常数测定数据处理及分析
因此上式可表示为:
其中
所以
实验结果与分析
室温(℃)下,测得PN结正向电流与对应的正向电压数据如下
利用EXCEL进行指数函数拟合曲线及参数如下:
实验结果与分析
由图可知:
理论值
相对误差
实验结果与分析
创新与局限
创新点:
在没有恒温设备的条件下,利用现有的简单仪器,实现了PN结的伏安特性随温度变化的定性测量。
利用EXCEL的指数函数拟合功能在常温下实现了玻尔兹曼常数的测定,并取得了较为准确的实验结果。
局限性:
实验通过人工调节控温,恒温精度不够。
由于实验仪器较为新旧不一(2001年起购),离散性较大,不同仪器测量的结果存在较大的差异。本实验为通过多台仪器实验后的最佳结果。
实验采用的样品是带金属外壳的三极管,仪器显示的温度与内部PN结的结温有一定的偏差,应考虑封装材料的热阻。