PN结的伏安特性与温度特性测量.docx

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】
pn 结物理特性实验仪。
保温杯。
开水、冰块等。
【实验原理】
理想的 pn结正向电流 IF 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= 时
) 。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
1，即在恒流供电情况下，
正向压降
VF
随温度
V
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。
2、 PN结的结电压 U be 与热力学温度 T关系测量。
V1
V2

R1
RT 3V
R2 R4
R
V2
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