PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究.docx

PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究.docxPN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究一、 实验目的了解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。在恒流供电条件下,测绘PN结止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。了解二极管的正向伏安特性,测量波尔兹曼常数。二、 实验原理(-)PN结正向压降与温度的关系理想PN结的正向电流If和压降Vf存在如下近似关系If二小xp(券) (1)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,可以证明必(0)Is=CTrexp[-s] (2)kT(注:(1),(2)式推导参考刘恩科半导体物理学第六章第二节)其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数汀也是常数;Vg(0)为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。将(2)式代入(1)式,两边取对数可得=VJ0)--/n=%+匕i(3)其屮(kc)v,=VJO)--In—TU1f)3卫佔)q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结温度传感器的基木方程。令I产常数,则正向压降只随温度而变化,但是在方程(3)中,除线性项W外还包含非线性项V"项所引起的线性误差。设温度由「变为T时,正向电压由Vfi变为Vf,由(3)式可得z\riTbTT\VF=V?(O)-[v?(O)-Vn]-_—1〃- ⑷71qv17按理想的线性温度影响,W应取如下形式:(5)警等于T「温度时的雪值。由(3)式可得馅—5(0)5 —8T T, q所以(7)V理想=作]+-'TF{-—r(T-7;)lxqv⑼-[匕(0)七耳--(r-rjr‘1q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设Ti=300°k,T=310°k,取r=(8)式可得A=,而相应的W的改变量约20mV,和比Z下误并甚小。不过当温度变化范围增大时,”温度响应的非线性误差将有所递增,这主要由于I•因子所致。综上所述,在恒流供电条件下,PN结的%对T的依赖关系取决于线性项V],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°C—150°C)。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Vni引起的,由Vni对T2的二阶导数船冷可知兽的变化与T成反比,所以WT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: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Ifi,业下工作,由此获得两者电压之差(Vf】・Vf2)与温度成线性函数关系,即^F\~^F2= (9)q—2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结相比其线性度与糟度均有所提高,这种电路结构与恒流、放人等电路集成一体,便构成集成电路温度传感器。2、 OkiraOhte等人提出的采用电流函数发生器來消除非线性误差。由(3)式可知,非线性误差来口T「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A=0,实验结果与理论值颇为一致,(-)PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知,PN结的止向电流-电压关系满足:TTeU/KT1II=I^(10)式(10)中/是通过PN结的正向电流,Zo是反向饱和电流,在温度恒定是为常数,卩是热力学温度,"是电了的电荷量,〃为PN结正向压降。由于在常温(300K)时,kT/e^,而PN结正向压降约为十分之儿伏,贝'J^r»i,(10)式括号内-1项完全可以忽略,于是有:j_T^eU/KT1~^e(11)也即PN结止向电流随止向电压按指数规律变化。若测得PN结1-U关系值,则利用(10)式可以求岀£/灯。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仁在实际测量中,二极管的正向G〃关系虽然能较好满足指数关系,但求得的常数k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:扩散电流,它严格遵循(11)式;耗尽层复合电流,它