1、PN結(jié)正向電壓溫度特性研究By金秀儒物理三班Pb05206218學(xué)號：pb05206218姓名：金秀儒實驗題目：PN結(jié)正向電壓溫度特性研究5實驗?zāi)康模毫私釶N結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式。在恒流供電條件下，測繪PN結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其靈敏度和被測PN結(jié)材料的禁帶寬度。學(xué)習(xí)用PN結(jié)測溫的方法。實驗儀器:樣品架、測試儀、加熱器實驗原理：理想PN結(jié)的正向電流片和壓降Vf存在如下近似關(guān)系IF=Isexp(9V匚)其中q為電子電荷;kTk為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；Is為反向飽和電流，它是一個和PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)的系數(shù)，可以證明Is=CrexpqVg(0)其中C是

2、與結(jié)面積、摻質(zhì)濃度等有關(guān)的kT常數(shù)：r也是常數(shù)；Vg(0)為絕對零度時PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)碾妱莶?。kcikTrVf=Vg(0)TnTInT=V1+VmVqIfJqfkc1Vi=Vg(0)TnTlqIFJ.Vm=-(InTr)q這就是PN結(jié)正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達式，它是PN結(jié)溫度傳感器的基本方程。令I(lǐng)f=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化，除線性項Vi外還包含非線性項Vni項所引起的線性洱至慶2oVf=Vg(0)-Vg(0)-VfiIT-kT1n工ggT1qT1按理想的線性溫度影響，Vf應(yīng)取如下形式：:Vf15"FQFPAGE II生匚等于Ti溫度時的空匚值。.:TT-M

3、iVg（0）-Vfik=-r.:TTiqVg-VFikTk丫理想=vfi+|-r（T-Ti）=Vg一Vg（0）vfi（T-T1rILTiqTiqkkTT,實際響應(yīng)對線性的理論偏差為A=V理相VF=rT1）+Ln（）rqqTi設(shè)Ti=300°k,T=3i0k,取r=3.4*,可得？=0.048mV,而相應(yīng)的Vf的改變量約20mV,相比之下誤差甚小。不過當(dāng)溫度變化范圍增大時，Vf溫度響應(yīng)的非線性誤差將有所遞增，這主要由于r因子所致。綜上所述，在恒流供電條件下，PN結(jié)的Vf對T的依賴關(guān)系取決于線性項Vi,即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是PN結(jié)測溫的依據(jù)。必須指出，上述結(jié)論僅適用于

4、雜質(zhì)全部電離、本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間（對于通常的硅二極管來說，溫度范圍約-50i50C）。如果溫度低于或高于上述范圍時，由于雜質(zhì)電離因子減小或本征載流子迅速增加；VfT關(guān)系將產(chǎn)生新的非線性，這一現(xiàn)象說明VfT的特性還隨PN結(jié)的材料而異，對于寬帶材料（如GaAs）的PN結(jié)，其高溫端的線性區(qū)則寬；而材料雜質(zhì)電離能小（如Insb）的PN結(jié)，則低溫端的線性范圍寬，對于給定的PN結(jié)，即使在雜質(zhì)導(dǎo)電和非本征激發(fā)溫度范圍內(nèi)，其線性度亦隨溫度的2、高低而有所不同，這是非線性項Vni引起的，由Vm對T的二階導(dǎo)數(shù)n£=-可知"的dT2TdT變化與T成反比，所以Vf-T的線性度在高溫端優(yōu)于低

5、溫端，這是PN結(jié)溫度傳感器的普遍規(guī)律。此外，減小If,可以改善線性度，但并不能從根本上解決問題，目前行之有效的方法大致有兩種：i、對管的兩個be結(jié)（將三極管的基極與集電極短路與發(fā)射極組成一個PN結(jié)），分別在不同電流Ifi,If2下工作，由此獲得兩者電壓之差（Vfi-Vf2）與溫度成線性函數(shù)關(guān)系，即Vfi-Vf2=旦InyFqIf2由于晶體管的參數(shù)有一定的離散性，實際與理論仍存在差距，但與單個PN結(jié)相比其線性度與精度均有所提高，這種電路結(jié)構(gòu)與恒流、放大等電路集成一體，便構(gòu)成集成電路溫度傳感器。PAGE Ill數(shù)據(jù)處理及結(jié)論:實驗起始溫度TS=20.09；工作電流IF=50NA；起始溫度Ts為時的

6、正向壓降VF0s）=605mV/mVCKCK/A-1024.0297.223.7296.90.1-2028.4301.628.0301.20.2-3032.8306.032.5305.70.2-4037.1310.337.1310.30.3-5041.5314.741.7314.90.3-6046.0319.246.0319.20.3-7050.4323.650.7323.90.3-8054.9328.155.2328.40.3-9059.1332.359.6332.80.3-10063.6336.863.9337.10.4-11068.1341.368.6341.80.4-12072.634

7、5.873.1346.30.5-13077.1350.377.4350.60.5-14081.6354.882.3355.50.5-15085.9359.186.8360.00.5-16090.3363.591.3364.50.5-17094.7367.995.3368.50.5-18099.1372.399.4372.60.5T-ZV關(guān)系曲線1（升溫）PAGE 8VmVA0.-20.-40-60_-801-100-120_-140_-160.-180.ALinearFitofData1_A-200i1I1I1I1r1IrI1I1I-290300310320330340350360370380

8、T/KT國關(guān)系曲線1（升溫）T-/V關(guān)系曲線2（降溫）380r370VmVA360350340r330320-310-300-BLinearFitofData1_B290,1BB.,>.B,-200-180-160-140-120-100-80-60-40-200T/KLinearRegressionforData1_B:Y=A+B-XParameterValueErrorA597.392750.75769B-2.014180.00221RSDNP-0.999990.2220818<0.0001LinearRegressionforData1_B:Y=A+B*XParameterV

9、alueErrorA573.139163.16569B-1.953010.00921RSDN_P-0.999860.9615318<0.0001斜率斜率偏差截距截距偏差升溫曲線-2.014180.00221597.392750.75769降溫曲線-1.953010.00921573.139163.16569T國關(guān)系曲線2（降溫）小結(jié)數(shù)據(jù)點最好用X表示！降溫的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)對嗎？要做的是AV-T曲線，不是T-AV曲線!1.升溫情況:靈敏度S=(-2.0142±0.0022)mv/K保留三位有效數(shù)字就可以了！Vg=Vf(Ts)S.T=605(-2.0142)(-273.2-20.0

10、)=1195.56mV=1.20V禁帶寬度為Ea=eV。=1.20eVgg因此，相對誤差為dJ1.20T21|100%=0.83%1.212.降溫情況：靈敏度S=(-1.9530±0.0092)mv/KVg=Vf(Ts)ST=605(-1.9530)(-273.2-20.0)=1177.62mV=1.18V禁帶寬度為Eg=eVg=1.18eVgg因此，相對誤差為d=|1.18-1.21|100%=2.48%1.21實驗小結(jié)及建議：本實驗是一個比較精確的實驗，引起誤差的主要因素有如下述：儀器方面，儀器顯示的溫度與實際溫度有所偏差，而且溫度變化越快，偏差越大；讀數(shù)方面，由于同一個AV對應(yīng)

11、多個T的值，讀數(shù)的標(biāo)準也會影響結(jié)果；從本次實驗的結(jié)果來看，一方面，兩條直線的相關(guān)系數(shù)分別為-0.99999和-0.99986,線性較好；而且升溫部分線性好過降溫部分，這是因為升溫快慢可以控制使得比較穩(wěn)定，而降溫則難以控制；另一方面，相對誤差分別為0.83%和2.48%,降溫部分誤差較大，儀器方面和讀數(shù)方面的影響都可能是造成偏差的原因，而且用來計算相對誤差的標(biāo)準值只給出了小數(shù)點后兩位，計算時對數(shù)值的約舍也會對結(jié)果造成影響；總的來說，實驗結(jié)果基本讓人滿意，在現(xiàn)有實驗條件下，實驗比較準確。小建議：建議在實驗中，可以在升溫時先升得慢點，等溫度稍高時，可以加熱快些，這是因為Vf-T曲線的線性高溫端優(yōu)于低

12、溫端(對于給定的PN結(jié)，其線性度亦隨溫度的高低而有所不同，是非線性項Vn1引起的，由Vn1對T的二階導(dǎo)數(shù)d2Vn1/dT2=1/T,可知dVn1/dT的變化與T成反比，所以Vf-T的線性度在高溫端優(yōu)于低溫端。1),這也是為什么實驗中改用0.5A加熱時線性反而好過0.4A;同理，在降溫時，一開始降溫較快，后來降溫較慢，不應(yīng)該人為施加影響，而且如果到最后溫度難以到達最低點，則最低點數(shù)據(jù)不可靠，不如舍去。分析的不錯，但實驗的時候也應(yīng)該注意要求，不能升溫過慢，升溫的時間是老師們總結(jié)出來的經(jīng)驗結(jié)果，并且這個結(jié)果也一直都很好，作出的曲線線性也很好，因此應(yīng)該注意實驗上的要求，同時，報告交的也有些晚了吧，應(yīng)該是周三晚上就上傳好的，希望以后要注意些！總體來說，實驗做的不錯！思考題：1 .測Vf(0)或Vf(Tr)的目的何在？為什么實驗要求測？VT曲線而不是Vf-T曲線?見實驗原理測量Vf(0)或Vf(Tr),便于進行調(diào)零，實現(xiàn)？V=0,并且能根據(jù)Vf(0)或Vf(Tr)求得Vg(0),進而求出Eg(0)；