pn结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究.doc

PN 结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究 PN 结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究一、实验目的 1 .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。 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 .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(一) 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 qV IF?Isex F)(1) kT 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 qVg(0)?] (2) Is?CTexpkTr (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: r 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?kc VF?Vg(0)??In?qIF? 其中?kTr? T?InT?V1?Vn1 (3) ?q? ?kcV1?Vg(0)??In?qIF? KTrVn1??InTq?????T? 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 结温度传感器的基本方程。令 IF= 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 V1 外还包含非线性项 Vn1 项所引起的线性误差。设温度由 T1 变为 T 时,正向电压由 VF1 变为 VF ,由( 3 )式可得 VF?Vg(0)?Vg(0)?VF1??TkT?T??1n??? (4) T1q?T?1?r 按理想的线性温度影响, VF 应取如下形式: VF 理想?VF1??VF1(T?T1) (5) ?T ?VF1?V 等于 T1 温度时的 F 值。?T?T 由( 3 )式可得 Vg(0)?VF1k?VF1 ???r (6) ?TT1q 所以?Vg?VF1k?V 理想?VF1????r??T?T1?Tq?1? (7) Tk ?Vg(0)?Vg(0)?VF1??T?T1?rT1q?? 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 kkTT??V 理想?VF??r?T?T1??Ln()r (8) qqT1 设 T1=300 °k, T=310 °k ,取 r=*, 由( 8 )式可得?= ,而相应的 VF 的改变量约 20mV , 相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时, VF 温度响应的非线性误差将有所递增,这主要由于 r 因子所致。综上所述,在恒流供电条件下, PN 结的 VF对T 的依赖关系取决于线性项 V1 , 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 ℃— 150 ℃)。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(