pn结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究.doc

Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;mercialuse膃PN结正向压降温度特性蚂及正向伏安特性的研究蚈膆一、实验目的薅了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式,了解用PN结测温的方法。肂在恒流供电条件下,测绘PN结正向压降随温度变化曲线,并由此确定其灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度。葿了解二极管的正向伏安特性,测量波尔兹曼常数。羄蚃二、实验原理蒁(一)PN结正向压降与温度的关系腿理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系肅(1)螂其中q为电子电荷;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度;Is为反向饱和电流,它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数,可以证明羀(2)罿(注:(1),(2)式推导参考刘恩科半导体物理学第六章第二节)膇其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数:r也是常数;Vg(0)为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。膄将(2)式代入(1)式,两边取对数可得莀(3)蚀其中袄节这就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式,它是PN结温度传感器的基本方程。令IF=常数,则正向压降只随温度而变化,但是在方程(3)中,除线性项V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差。蝿设温度由T1变为T时,正向电压由VF1变为VF,由(3)式可得莀(4)羅按理想的线性温度影响,VF应取如下形式:蚅(5)蒃等于T1温度时的值。袆由(3)式可得肇(6)螃所以袂(7)蚇由理想线性温度响应(7)式和实际响应(4)式相比较,可得实际响应对线性的理论偏差为袄(8)袂设T1=300°k,T=310°k,取r=*,由(8)式可得∆=,而相应的VF的改变量约20mV,相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时,VF温度响应的非线性误差将有所递增,这主要由于r因子所致。莁综上所述,在恒流供电条件下,PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1,即正向压降几乎随温度升高而线性下降,这就是PN结测温的依据。必须指出,上述结论仅适用于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间(对于通常的硅二极管来说,温度范围约-50℃—150℃)。如果温度低于或高于上述范围时,由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加;VF—T关系将产生新的非线性,这一现象说明VF—T的特性还随PN结的材料而异,对于宽带材料(如GaAs)的PN结,其高温端的线性区则宽;而材料杂质电离能小(如InSb)的PN结,则低温端的线性范围宽,对于给定的PN结,即使在杂质导电和非本征激发温度范围内,其线性度亦随温度的高低而有所不同,这是非线性项Vn1引起的,由Vn1对T的二阶导数的变化与T成反比,所以VF-T的线性度在高温端优于低温端,这是PN结温度传感器的普遍规律。此外,由(4)式可知,减小IF,可以改善线性度,但并不能从根本上解决问题,目前行之有效的方法大致有两种:莇1、对管的两个be结(将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN结),分别在不同电流IF1,IF2下工作,由此获得两者电压之差(VF1-VF2)与温度成线性函数关系,即袅(9)芄由于晶体管的参数有一定的离散性,实际与理论仍存在差距,但与单个PN结相比其线性度与精度均有所提高,这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体,便构成集成电路温度传感器。螁2、OkiraOhte等人提出的采用电流函数发生器来消除非线性误差。由(3)式可知,非线性误差来自Tr项,利用函数发生器,使IF比例于绝对温度的r次方,则VF—T的线性理论误差为∆=0,实验结果与理论值颇为一致,℃。膈(二)PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量羇由半导体物理学可知,PN结的正向电流-电压关系满足:莂(10)膀式(10)中I是通过PN结的正向电流,I0是反向饱和电流,在温度恒定是为常数,T是热力学温度,是电子的电荷量,U为PN结正向压降。由于在常温(300K)时,/≈,而PN结正向压降约为十分之几伏,则>>1,(10)式括号内-1项完全可以忽略,于是有:袈(11)螄也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN结I-U关系值,则利用(10)式可以求出/。在测得温度T后,就可以得到/常数,把电子电量作为已知值代入,即可求得玻尔兹曼常数。蚅在实际测量中,二极管的正向I-U关系虽然能较好满足指数关系,但求得的常数往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流,还有其它电流。一般它包括三个部分:蕿[1]扩散电流,它严格遵循(11)式;薈[2]耗尽层复合电流,它正比于;螆[3]表面电流,它是由Si和SiO2界面中杂质引起的,其值正比于,一般m>2。袃因此,为了验证(11)式及求出准确的/常数,不宜采用硅二极管,而采用硅三极管接成共基极线路,因为此时集电极与基极短接,集电极电流中仅仅是扩