PN结正向电压温度特性研究
一、实验目的
1.了解PN结正向电压随温度变化的基本规律。
2.测量PN结正向伏安特性曲线。
3.测量恒流条件下PN结正向电压随温度变化的关系曲线。
4.确定PN结的测温灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度。
二、实验仪器
三、NKJ-B型组合式热学实验仪
四、实验原理
1.PN结温度传感器的基本方程
根据半导体物理的理论,理想PN结的正向电流I:和正向电压V,存在如下近似关系
式中q为电子电量,T为热力学温度;I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有关的系数。可以证明:
式中C是与PN结的结面积、掺杂浓度有关的常数;k为玻尔兹曼常数;r在一定范围内也是常数;
式中C是与PN结的结面积、掺杂浓度有关的常数;k为玻尔兹曼常数;r在一定范围内也是常数;Vgo)为在热力学温度OK时PN结材料的导带底与价顶的电势差,对于给定的材料,Vgo)是一个定值。将式(2)代入式(1),两边取对数,整理后可得
式(2)是PN结正向电压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。其中Vmr是非线性项,实验和理论证明,在温度变化范围不大时,Vm的影响可以我勿略不计。例如对于通常的硅PN结材料来说,在一50~150℃的温度区间内,其非线性误差是很小的。因此,根据式(3),对于给定的PN结材料,在允许的温度变化区间内,在I保持不变的条件下,PN结的正向电压V:对温度的依赖关系取决于线性项V1.即
因此,只要测出正向电压的大小,便可以得知这时的温度,这便是PN结测温的依据。T是热力学温度,在实际测量中使用不方便,有必要进行温标转换,即确定PN结正向变化用摄氏温度来表示。用t表示摄氏温度,用VFa和VFO)分别表示t和0C时PN结的正向电压,因T=273.2+t,则式(4)可表示为
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