实验四 pn结特性测量.doc

实验四 pn 结特性测量一、前言早在六十年代初, 人们就试图用PN 结正向压降随温度升高而降低的特性作为测温元件, 由于当时 PN 结的参数不稳定, 始终未进入实用阶段。随着半导体工艺水平的提高及人们不断的探索,到七十年代时, PN 结以及在此基础上发展起来的晶体管温度传感器,已成为一种新的测温技术跻身于各个领域了。众所周知, 常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等, 这些温度传感器均有各自的优点, 但也有它的不足之处, 如热电偶适用温度范围宽, 但灵敏度低、线性差且需要参考温度; 热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小, 缺点是非线性, 这对于仪表的校准和控制系统的调节均感不便; 测温电阻器如铂电阻虽有精度高、线性好的长处, 但灵敏度低且价格贵;而 PN 结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体小轻巧等特点, 尤其是温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时信号处理等方面, 仍是其它温度传感器所不能比的, 其应用势必日益广泛。目前结型温度传感器主要以硅为材料, 原因是硅材料易于实现功能化,即将测温单元和恒流、放大等电路组成一块集成电路。美国 Motorola 电子器件公司在 1979 年就开始生产测温晶体管及其组件, 如今灵敏度高达 100mV/ ℃、分辨率不低于 ℃的硅集成电路温度传感器也已问世。但是以硅为材料的这类传感器也不是尽善尽美的, 在非线性不超过标准值 % 的条件下, 其工作温度一般不超为- 50℃~ 150 ℃, 与其它温度传感器相比, 测温范围的局限性较大, 如果采用不同材料如锑化铟或砷化镓的 PN 结可以展宽低温区或高温区的测量范围。八十年代中期我国就研制成功以 SiC 为材料的 PN 结温度传感器,其高温区可延伸到 500 ℃,并荣获国际博览会金奖。自然界有丰富的材料资源, 而人类具有无穷的智慧,理想的温度传感器正期待着人们去探索、开发。二、实验目的 1. 了解 PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。 2. 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。 3. 学习用 PN 结测温的方法。三、实验原理理想 PN 结的正向电流 I F 和压降 V F 存在如下近似关系式。)/ exp( kT qV II FSF?( ) 其中 q 为电子电荷; k 为玻尔兹曼常数; T 为绝对温度; I S 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]/)0( exp[ kT qV CT I g rS??( ) 其中 C 是与结面积、掺杂浓度等有关的常数; r 也是常数(见附录);V g (0) 为绝对零度时 PN 结材料的导带和价带顶的电势差。将式( )代入式( ) ,两边取对数可得 11 ln) ln()0( n rF gFVVTq kT TI Cq kVV?????( ) 其中 TI Cq kVV F g) ln()0( 1??) (ln 1 rnTq kT V??方程( ) 就是 PN 结正向压降作为电流和温度的函数表达式, 它是 PN 结温度传感器的基本方程。令 I F= 常数,则正向压降只随温度而变化,但是在方程( )中,除线性项 V 1 外还包含非线