pn结的伏安特性与温度特性测量.doc

PN结正向压降与温度特性的研究
【实验目的】
研究pn结正向压降与温度之间的关系。
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】
和压降VF 存在如下近似关系

式中，q 为电子电量，K=×10－23J•K-1为玻尔兹曼常数，T 为热
力学温度，Im 为反向饱和电流，它的大小

其中C 是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数；γ 是热学中的比热比，也是一个常数；Vg(0)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)是PN 结温度传
感器的基本方程。当正向电流IF为常数时，V1 是线性项，Vn1 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= )。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，这就是PN 结测温的依据。我们正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。更为重要的是，对于给定的PN 结，即使在杂质导电和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Vn1 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，这是PN 结温度传感器的普遍规律。同时从式(1)、(2)、(3)可以看出，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。
PN结的结电压与热力学温度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℃测一定值（即V1）与温度（℃）关系，求得关系。
当PN结通过恒定小电流（通常电流I＝1000μA），由半导体理论可得与T近似关系：
　　（3）
式中S≈－。由可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度＝。。
【实验内容与步骤】
（tS）的测量和调零
（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