实验12 PN结正向压降与温度关系的研究
随着半导体工艺水平的不断提高和发展,半导体PN结正向压降随温度升高而降低的特性使PN结作为测温元件成为可能,过去由于PN结的参数不稳,它的应用受到了极大限制,进入二十世纪七十年代以来,微电子技术的发展日趋成熟和完善,PN结作为测温元件受到了广泛的关注。
温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温系数传感器的阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN结属于负温度系数的传感器。这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如铂电阻虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。相比之下，PN结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而获得了广泛的应用。
一.实验目的
1． 了解PN结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN结
特性曲线。
2． 测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。
3． 学会用PN结测量温度的一般方法。
二.实验仪器
．SQ-J型PN结特性测试仪，三极管（3DG6），测温元件，样品支架等。
三．实验原理
1．PN结特性的测量
由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN结的正向电流
与正向电压
满足以下关系；
=
（exp
-1） ⑴
式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，为反向饱和电流，它是一个与PN结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。由于在常温（300K）下，kT/q=0.026,而PN结的正向压降一般为零点几伏,所以exp》1,上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有
⑵
这就是PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN结的关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T后,就可得到e/k常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中，二极管的正向关系虽能较好满足指数关系，但求得的k值往往偏小，这是因为二极管正向电流中不仅含有扩散电流，还含有其它电流成份。如耗尽层复合电流.、表面电流等。在实验中,采用硅三极管来代替硅二极管，复合电流主要在基极出现，三极管接成共基极线路（集电极与基极短接），集电极电流中不包含复合电流。若选取性能良好的硅三极管，使它处于较低的正向偏置状态，则表面电流的影响可忽略。此时集电极电流与发射极—基极电压满足⑵式，可验证该式，求出准确的e/k常数。
2．PN结正向压降随温度变化灵敏度S的测量
由物理学知，二极管的反向饱和电流
与绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差
有如下关系：
⑶
⑶式中，r是常数，C是与结面积、掺杂浓度等有关的参数，将⑶式代⑴式后两边取对数得
⑷
其中 
⑷式即为PN结正向压降、正向电流和温度间的函数关系，它是PN结温度传感器工作的基本方程。若保持正向电流恒定即
常数，则正向压降只随温度变化，显然，⑷式中除线性项
外还含有非线性项
，但可以证明当温度变化范围不大时（对硅二极管来说，温度范围在-50℃-150℃）引起的误差可忽略不记。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降对环境温度T的依赖关系主要取决于线性项，即PN结的正向压降随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。但必须指出，这一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。若温度过高或过低（不在上述温度范围），则随着杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，
关系的非线性变化将更为严重，说明特性还与PN结的材料有关。实验证明，宽带材料（如GaAs）构成的PN结，其高温端线性区宽，而材料（如Insb）杂质电离能小的PN结，其低温端的线性区宽，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，其线性度随温度的高低也有所不同，这是非线性项引起的。由⑷式可以看出，减小，可以改善线性度，但这不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法是利用对管的两个be结（即三极管基极和集电极短路后与发射机组成一个PN结）分别在不同电流
下工作，得到两者电压差
与温度间的线性关系：
使之与单个PN结相比线性度与精度有所提高。将这种电路与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成电路传感器。
四.实验装置
实验用具由样品架和测试仪两部分构成,样品架结构如图所示,其中A为样品室,它是一个可拆卸的筒状容器,筒盖内设有橡皮圈,橡皮圈与筒套上的螺丝孔相对应,可用螺钉将其旋紧以保持密封。待测样品PN结管(将三极管3DG6的基极与集电极短接后作为正极,其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,管脚与耐高温导线相连,分别穿过两旁空心细管与顶端插座P1连接,加热器H位于中心管支座底部,其发热部位埋设在铜座B中心柱体内,加热电源进线由中心管上方插孔P2引入,P2的引线与容器绝缘,容器与电源负端相通,它通过插件P1专用线与测试机接地端相连,将待测PN结的温度和电压信号输入测试仪。
P1
A-样品室
B-样品座 P2
D-待测PN结
T-测温元件
P1-D、T引线座
H-加热器
P2-加热电源插孔
图1 样品架结构图
A
HH
D T
B
测试仪由恒流源，基准电源和显示单元等组成。恒流源有两组，一组提供I，电流输出在0∽1000
A范围内连续可调，另一组用于加热，控温电流为0.1-1A,分为十档,每档改变电流0.1A 。基准电源也有两组，一组用于补偿PN结在0℃和室温T时的正向压降V（0）与V（T），可通过调节面板上的“
调零”电位器实现
，若升温时，
，降温时
，则表明正向压降随温度升高而下降。另一组电源用于温标转换和校准。本实验采用AD590温度传感器测温，AD590的输出电压与绝对温度成正比（
），其工作温度范围为
（即-55℃-150℃），相应输出电压为
。在保持测量精度不变的情况下，为了简化电路，将绝对温标转换成摄氏温标，专门设置了一组
的基准电压，对应于-55℃-150℃的工作 温区，输出电压为
，因而可采用
的
位的LED显示器测量温度。此外，还设有一组量程为
的位的LED显示器通过“测量选择”开关换档来分别显示
和。测量电路的框图如下：
样品室
K
图2.测量电路框图
图中,
为待测PN结,
的取样电阻,开关K用于测量选择与极性变换,接R、P端测,P、D端测,S、P端测。
五．实验方法和内容
1． 实验装置检查与连接
①取掉样品室的简套（左手扶筒盖，右手扶筒套顺时针旋转），查待测PN结管和测温元件，看其是否分别位于铜座左右两侧圆孔内，应注意其管脚不能与容器接触，放好筒盖内橡皮圆圈后，应装上筒套。以免样品室在冰水中降温时冰水渗入室内。
②将控温电流开关打在“关”的位置，加热指示灯不亮，此时，连好加热电源和信号线，应注意这两个连线均为多芯插头，连线时要对准插头与插座的定位标记，用手按住插头紧线夹部位才可插入。拆线时，应抓住插头的可动外套向外直拉，不可猛力左右转动或部位不对硬拉，以免拉断引线影响实验。
2．
或
的测量和调零
将样品室埋入盛有冰水混合体的杜瓦瓶中降温，开启电源（电源开关在机壳后面，电源插座内装有保险丝），预热两分钟后，将“测量选择”开关K拨到，旋转“调节”，使=50
，待温度降止0℃时，将K拨到，记下值，再将K置于，旋转“调零”，使=0。
本实验的起始温度
可直接从室温
开始，按上述步骤测量，并使
3.测定
关系曲线
不用盛有冰块的杜瓦瓶,打开电源开关,逐步提高加热电流,改变,测量对应的T,为减小测量误差,可使每变化10mV或15mV记录一个点,测量一组
值。整个测量过程中应注意，升温速度要适当，宁可慢一点也不能太快，上限温度不宜过高，应控制在120℃左右。
六．数据记录及处理
1．在下表中记录一组测量数据。实验起始温度
℃，
工作电流 ，温度为
时的正向压降
mV。
2.作-T关系曲线，求给定PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV/℃），即该曲线的斜率。
3.估算给定PN结硅材料的禁带宽度
电子伏特。根据6式，略去非线性，可得
ºK为摄氏温标与凯尔文温标之差，将测得的
与公认值
电子伏比较，求其误差。
七．思考题
1． 是否可直接测量PN结二极管的电流—电压关系来验证⑵式？为什么？
2． 实验中为何要求测
曲线而不是曲线？测和的目的
何在？
3． 测曲线为什么按的变化读取T值，而不是按自变量T取？
第二篇：PN结正向压降与温度特性的研究
物理实验报告 数学系张冬梅 PB03001104
实验题目： PN结正向压降与温度特性的研究
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IF和压降VF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；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
（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IF=常数，则正向压降只随温度而变化
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。
VF—T的特性还随PN结的材料而异。
略去非线性项，可得
?T=-273.2°K，即摄氏温标与凯尔文温标之差。
实验装置如图：
实验数据：
实验起始温度TS= 26.6 ℃
工作电流 IF= 50 μA
起始温度为TS时的正向压降VF（TS）= 590 mV
（升温过程数据）
（降温过程数据）
数据处理：
1． 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。
（pn1 开氏温度表示）
(1) 升温过程：
对升温过程数据进行线性拟合的结果如下：
Linear Regression for Dataup_V1-V2:
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A 671.14769 0.84496
B -2.24114 0.00247
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
-0.99999 0.2422 18 <0.0001
(2) 降温过程
对降温过程数据进行线性拟合的结果如下：
Linear Regression for Datadown_V1V2:
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A 659.97597 2.24997
B -2.20467 0.00655
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
-0.99993 0.65439 18 <0.0001
灵敏度S取两组数据处理中的B的平均值：
S=[(-2.24)+(-2.20)]/2= -2.22 （mv/℃） ？
2. 估算被测PN结材料硅的禁带宽度Eg(0)=qVg(0)电子伏。
根据（6）式，略去非线性项，（?T=-273.2°K，即摄氏温标与凯尔文温标之差）可得：
(*)
= 590 mV +（-2.22） （mv/℃）(-273.2-26.6)°K
=1255.56 mV
=1.26 V
Eg(0)=qVg(0)=1.26 电子伏
3. 将实验所得的Eg（0）与公认值Eg（0）=1.21电子伏比较，求其误差得：
[|1.20-1.21| /1.21]*100% = 4.1%
思考题
1． 测VF（0）或VF（TR）的目的何在？为什么实验要求测?V—T曲线而不是VF—T曲线。
答：测VF（0）或VF（TR）的目的在于满足(*)式计算，获得正向压降的数值。由实验原理部分的分析知，令IF=常数，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。测?V—T曲线，做线性拟合更精确。
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：温度读书变化不易精确控制，按?V每改变10mV立即读取一组?V、T，这样可以减小测量误差。