PN结正向压降与温度关系的研究(黄)实验报告.docx

PN结正向压降与温度关系的研究(黄)实验报告.docxPN
结
正
向
压
降
与
温
度
关
系
的
研
班级:物理实验班21
学号:2120909006
姓名：黄忠政
半导体PN结正向压降随温度升高而降低的特性使PN结可以作
为测温元件。温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感
器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温度
系数传感器的阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测
温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN结属于负温度系数
的传感器。这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但
灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，
灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如钳电阻
虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。相比之下，PN
结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，
尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，
因而有着广泛的应用。
实验目的：
1•了解PN结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN结 If -耳特性曲线及玻尔兹曼常数。
2•测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏 度及PN结材料的禁带宽度。
3•学会用PN结测量温度的一般方法。
实验仪器：
SQ-J型PN结特性测试仪，三极管（3DG6 ），测温元件， 样品支架等。
实验原理：
1 . PN结—Vf特性及玻尔兹曼常数k的测量：
由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN结的正 向电流你与正向电压-满足以下关系： h = is （ exP^"1） ⑴
kT
式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数,T为热力学温度， 人为反向饱和电流，它是一个与PN结材料禁带宽度及温度等因 素有关的系数，是不随电压变化的常数。由于在常温（300K） 下，kT/q=,而PN结的正向压降一般为零点几伏，所以 exp坐》上式括号内的第二项可以忽略不计，于是有
= Zsexp 必
kT
这就是PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系， 若测得半导体PN结的iF-vF关系值贝U可利用上式以求出e/kT. 在测得温度T后，就可得到e/k常数,将电子电量代入即可求得玻 尔兹曼常数ko
在实际测量中，二极管的正向iF-vF关系虽能较好满足指数 关系，但求得的k值往往偏小，这是因为二极管正向电流匚中不 仅含有扩散电流，还含有其它电流成份。如耗尽层复合电流•、 表面电流等。在实验中，采用硅三极管来代替硅二极管，复合电 流主要在基极出现，三极管接成共基极线路(集电极与基极短接), 集电极电流中不包含复合电流。若选取性能良好的硅三极管，使 它处于较低的正向偏置状态，则表面电流的影响可忽略。此时集 电极电流与发射极一基极电压满足⑵式，可验证该式，求出准确 的e/k常数。
2 . PN结材料禁带宽度的测量：
由物理学知，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料 的导带底和价带顶间的电势差匕(0)有如下关系： I"叫~^r\ (3)
⑶式中，i■是常数，c是与结面积、掺杂浓度等有关的参数， 将⑶式代⑴式后两边取对数得
匕=(0) - (-In -—InT1 = V, +Vnl ⑷
e IF e
其中 V； =Vg - (-In—)7
幺 1 g
⑷式即为PN结正向压降、正向电流和温度间的函数关系， 它是
PN结温度传感器工作的基本方程。若保持正向电流恒定即 匚=常数，则正向压降只随温度变化，显然，⑷式中除线性项勺 外还含有非线性项打，但可以证明当温度变化范围不大时（对硅 二极管来说，温度范围在-50°C-150°C ）人引起的误差可忽略不 记。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降耳对环境温度T 的依赖关系主要取决于线性项匕，即PN结的正向压降随温度升 高而线性下降，这就是PN结测温的依据。但必须指出，这一结 论仅适用于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间。若温 度过高或过低（不在上述温度范围），则随着杂质电离因子减少 或本征载流子迅速增加，--T关系的非线性变化将更为严重， 说明vf-t特性还与PN结的材料有关。实验证明，宽带材料（如 GaAs ）构成的PN结，其高温端线性区宽，而材料（如Insb ） 杂质电离能小的PN结，其低温端的线性区宽，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，其线性度随温度 的高低也有所不同，这是非线性项人引起的。由⑷式可以看出， 减小匚，可以改善线性度，但这不能从根本上解决问题，目前行 之有效的方法是利用对管的两个be结（即三极管基极和集电极 短路后与发射机组成一个PN结刀别在不同电流⑴”下工作， 得到两者电压差（vfl-vF2）与温度间的线性关系：
51 _匕2 = —In-^~