实验题目：PN结正向压降温度特性的研究

实验目的：

1)        了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。

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)        学习用PN结测温的方法。

实验原理：

理想PN结的正向电流I_F和压降V_F存在如下近似关系

                                                 （1）

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

                                             （2）

其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r也是常数；V_g(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

                     （3）

其中

         

这就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式。令I_F=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V_n1项所引起的线性误差。

设温度由T₁变为T时，正向电压由V_F1变为V_F，由（3）式可得

                             （4）

按理想的线性温度影响，VF应取如下形式：

                                           （5）

等于T₁温度时的值。

由（3）式可得

                                           （6）

所以

           （7）

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            （8）

设T₁=300°k，T=310°k，取r=3.4*,由（8）式可得?=0.048mV，而相应的V_F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，V_F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，正向压降几乎随温度升高而线性下降，可以改善线性度的方法大致有两种：

1、对管的两个be结分别在不同电流I_F1，I_F2下工作，由此获得两者电压之差（V_F1- V_F2）与温度成线性函数关系，即

由于晶体管的参数有一定的离散性，实际与理论仍存在差距，但与单个PN结相比其线性度与精度均有所提高。

2、利用函数发生器，使I_F比例于绝对温度的r次方，则V_F—T的线性理论误差为?=0。

四、实验装置

实验系统由样品架和测试仪两部分组成。样品架的结构如图所示，其中A为样品室，是一个可卸的筒状金属容器，筒盖内设橡皮0圈盖与筒套具相应的螺纹可使用两者旋紧保持密封，待测PN结样管（采用3DG6晶体管的基极与集电极短接作为正级，发射极作为负极，构成一只二极管）和测温元件（AD590）均置于铜座B上，其管脚通过高温导线分别穿过两旁空芯细管与顶部插座P₁连接。加热器H装在中心管的支座下，其发热部位埋在铜座B的中心柱体内，加热电源的进线由中心管上方的插孔P₂引入，P₂和引线（高温导线）与容器绝缘，容器为电源负端，通过插件P₁的专用线与测试仪机壳相连接地，并将被测PN结的温度和电压信号输入测试仪。测试仪由恒流源、基准电源和显示等单元组成。恒流源有两组，其中一组提供I_F，电流输出范围为0-1000μA连续可调，另一组用于加热，其控温电流为0.1-1A，分为十档，逐档递增或减0.1A，基准电源亦分两组，一组用于补偿被测PN结在0℃或室温T_R时的正向压降V_F（0）或V_F（T_R），可通过设置在面板上的“?V调零”电位器实现?V=0，并满足此时若升温，?V<0；若降温，则?V>0，以表明正向压降随温度升高而下降。另一组基准电源用于温标转换和校准，因本实验采用AD590温度传感器测温，其输出电压以1mV/°k正比于绝对温度，它的工作温度范围为218.2—423.2°k（即-55—150℃），相输出电压为218.2—423.2mV。要求配置412位的LED显示器，为了简化电路而又保持测量精度，设置了一组273.2mV（相当于AD590在0℃时的输出电压）的基准电压，其目的是将上述的绝对温标转换成摄氏温标。则对应于-55—150℃的工作温区内，输给显示单元的电压为-55—150mV。便可采用量程为±200.0mV的31/2位LED显示器进行温度测量。另一组量程为±1000mV的31/2位LED显示器用于测量I_F，V_F和?V，可通过“测量选择”开关来实现。

实验步骤：

1)        打开测试仪电源，将开关K拨到I_F，由“I_F调节”使I_F=50μA。

2)        将K拨到V_F，记下初始温度T和对应V_F（0）的值。将K置于?V，由“?V调零”使?V=0。

3)        开启加热电源，逐步提高加热电流，当?V每改变10 mV读取一组?V、T，记录18组实验数据。

4)        关闭加热电流，在降温条件下重复上述操作，记录数据。

5)        整理实验仪器。

数据处理与误差分析：

实验测量数据如下：

实验起始温度T_S=26.0℃

工作电流 I_F=50μA

起始温度为T_S时的正向压降V_F（T_S）=609mV

表一：实验数据表

利用ORINGIN，将升温和降温过程分别作图：

升温过程 ΔV-T曲线：

                                  ΔV-T曲线

图像数据

降温过程ΔＶ－Ｔ曲线：

ΔＶ－Ｔ曲线

图像数据

由上图数据可知：

升温时曲线的斜率为-2.36628，其误差为0.0025，而相关系数为0.99998

降温时曲线的斜率为-2.36247，其误差为0.00443，而相关系数为0.99994

两次所作图像的相关系数都非常接近1，说明数据较好。

在升温过程中PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.36628±0.0025 mV/℃

禁带宽度  E_g（T_S）=

与公认值1.21比较有

在降温过程中PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.36247±0.00443 mV/℃

禁带宽度  E_g（T_S）=

与公认值1.21比较有

误差分析：

升温和降温过程得到的灵敏度、禁带宽度很接近，但由于实验过程中温度变化比较快，不能准确记录温度，

使得禁带宽度与公认值差距较大，同时温度的测量精度比较低也增大了误差。

思考题：

1． 测V_F（0）或V_F（T_R）的目的何在？为什么实验要求测?V—T曲线而不是V_F—T曲线。

答：测量V_F（0）或V_F（T_R）是为了能根据公式计算出在相应温度下的禁带宽度。

V_F—T曲线不利于读数而，实验中测量?V—T曲线使?V每改变－10mv记录一组数据相对方便。.

2． 测?V—T曲线为何按?V的变化读取T，而不是按自变量T取?V。

答：实验过程中T的变化相对比较快，并且变化不稳定，容易造成较大的误差。

第二篇：PN结正向压降温度特性的研究

姓名：吕威    学号：PB08210063   日期：2009.09.29

一、实验题目：PN结正向压降温度特性的研究

二、实验目的：

1．  了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。

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．  学习用PN结测温的方法。

三、实验原理：

理想PN结的正向电流I_F和压降V_F存在如下近似关系

                                                 （1）

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

                                             （2）

其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r也是常数；V_g(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

                     （3）

其中

         

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I_F=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V_n1项所引起的线性误差。

设温度由T₁变为T时，正向电压由V_F1变为V_F，由（3）式可得

                             （4）

按理想的线性温度影响，VF应取如下形式：

                                           （5）

等于T₁温度时的值。

由（3）式可得

                                           （6）

所以

           （7）

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            （8）

设T₁=300°k，T=310°k，取r=3.4*,由（8）式可得?=0.048mV，而相应的V_F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，V_F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V_F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；V_F—T关系将产生新的非线性，这一现象说明V_F—T的特性还随PN结的材料而异，对于宽带材料（如GaAs）的PN结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小（如Insb）的PN结，则低温端的线性范围宽，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，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性项V_n1引起的，由V_n1对T的二阶导数的变化与T成反比，所以V_F-T的线性度在高温端优于低温端，这是PN结温度传感器的普遍规律。此外，由（4）式可知，减小I_F，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法大致有两种：

对管的两个be结（将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN结），分别在不同电流I_F1，I_F2下工作，由此获得两者电压之差（V_F1- V_F2）与温度成线性函数关系，即

  

由于晶体管的参数有一定的离散性，实际与理论仍存在差距，但与单个PN结相比其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成电路温度传感器。

四、实验方法与内容：

1．  V_F(T_R)的测量和调零

将样品室埋入盛有冰水（少量水）的杜瓦瓶中降温，开启测试仪电源（电源开关在机箱后面，电源插座内装保险丝），预热数分钟后，将“测量选择”开关（以下简称K）拨到I_F，由“I_F调节”使I_F=50μA，待温度冷却至0℃时，将K拨到V_F，记下V_F(T_R)值，再将K置于?V，由“?V调零”使?V=0。

本实验的起始温度T_S从室温T_R开始，只测Si管，按上述所列步骤，测量V_F(T_R)并使?V=0。

2．    测定?V—T曲线

取走冰瓶，开启加热电源（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对

应的?V和T，至于?V、T的数据测量，可按?V每改变10或15mV立即读取一组?V、T，这样可以减小测量误差。应该注意：在整个实验过程中，升温速率要慢。且温度不宜过高，最好控制在120℃左右。

3．    求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mv/℃）。作?V—T曲线（使用Origin软件工具），其斜率就是S。

4．  估算被测PN结材料硅的禁带宽度E_g(0)=qV_g(0)电子伏。根据（6）式，略去非线性，可得

                 

?T=-273.2°K，即摄氏温标与凯尔文温标之差。将实验所得的E_g(0)与公认值E_g(0)=1.21eV比较，求其误差。

五、数据处理：

实验数据用Origin处理得到如下?V—T曲线

得到升温和降温时的灵敏度分别是

S₁=-2.21354±0.00654mV/℃      S₂=-2.19823±0.00263mV/℃

取平均值得S=-2.20589mV/℃

合成不确定度

Us=  =0.00705mV/℃

所以S=-2.20589±0.00805mV/℃

根据公式

代入数据V_F=583mV, =29.2℃=302.4K可算得V_g=1.25V。

所以PN结的禁带宽度Eg=qVg=1.25eV, 公认值Eg=1.21eV比较，得相对误差ΔEg=3.3﹪。

六、思考题：

1.测V_F(0)或V_F(T_R)的目的何在？为什么实验要求测?V—T曲线而不是V_F—T曲线。

答：测V_F(T_R)目的是得到某状态下正向压降的初始值，从而得到PN结材料的禁带宽度Eg.。

采用?V—T曲线是因为?V的值远小于V_F，所以在作图时可得到更高的精度。

2.测?V—T曲线为何按?V的变化读取T，而不是按自变量T取?V。

答：因为T的变化要比?V快得多，同一个?V对应着多个T值，若按T的变化读取?V则会产生较大的误差。