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1、PN结正向电压温度特性研究By金秀儒物理三班Pb05206218学号：pb05206218姓名：金秀儒实验题目：PN结正向电压温度特性研究5实验目的：了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。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。学习用PN结测温的方法。实验仪器:样品架、测试仪、加热器实验原理：理想PN结的正向电流片和压降Vf存在如下近似关系IF=Isexp(9V匚)其中q为电子电荷;kTk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Is=CrexpqVg(0)其中C是
2、与结面积、掺质浓度等有关的kT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。kcikTrVf=Vg(0)TnTInT=V1+VmVqIfJqfkc1Vi=Vg(0)TnTlqIFJ.Vm=-(InTr)q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，除线性项Vi外还包含非线性项Vni项所引起的线性洱至庆2oVf=Vg(0)-Vg(0)-VfiIT-kT1n工ggT1qT1按理想的线性温度影响，Vf应取如下形式：:Vf15FQFPAGE I生匚等于Ti温度时的空匚值。.:TT-MiVg（0）-
3、Vfik=-r.:TTiqVg-VFikTk丫理想=vfi+|-r（T-Ti）=Vg一Vg（0）vfi（T-T1rILTiqTiqkkTT,实际响应对线性的理论偏差为A=V理相VF=rT1）+Ln（）rqqTi设Ti=300k,T=3i0k,取r=3.4*,可得？=0.048mV,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Vi,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
4、忽略的温度区间（对于通常的硅二极管来说，温度范围约-50i50C）。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；VfT关系将产生新的非线性，这一现象说明VfT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2、高低而有所不同，这是非线性项Vni引起的，由Vm对T的二阶导数n=-可知的dT2TdT变化与T成反比，所以Vf-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，减小I
5、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：i、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Ifi,If2下工作，由此获得两者电压之差（Vfi-Vf2）与温度成线性函数关系，即Vfi-Vf2=旦InyFqIf2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。PAGE Ill数据处理及结论:实验起始温度TS=20.09；工作电流IF=50NA；起始温度Ts为时的正向压降VF0s）=605mV/mVCKCK/A-
6、1024.0297.223.7296.90.1-2028.4301.628.0301.20.2-3032.8306.032.5305.70.2-4037.1310.337.1310.30.3-5041.5314.741.7314.90.3-6046.0319.246.0319.20.3-7050.4323.650.7323.90.3-8054.9328.155.2328.40.3-9059.1332.359.6332.80.3-10063.6336.863.9337.10.4-11068.1341.368.6341.80.4-12072.6345.873.1346.30.5-13077.135
7、0.377.4350.60.5-14081.6354.882.3355.50.5-15085.9359.186.8360.00.5-16090.3363.591.3364.50.5-17094.7367.995.3368.50.5-18099.1372.399.4372.60.5T-ZV关系曲线1（升温）PAGE #VmVA0.-20.-40-60_-801-100-120_-140_-160.-180.ALinearFitofData1_A-200i1I1I1I1r1IrI1I1I-290300310320330340350360370380T/KT国关系曲线1（升温）T-/V关系曲线2（降
8、温）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-0.999990.22208180.0001LinearRegressionforData1_B:Y=A+B*XParameterValueErrorA573.139163.16569B-1.953
9、010.00921RSDN_P-0.999860.96153180.0001斜率斜率偏差截距截距偏差升温曲线-2.014180.00221597.392750.75769降温曲线-1.953010.00921573.139163.16569T国关系曲线2（降温）小结数据点最好用X表示！降温的横坐标和纵坐标对吗？要做的是AV-T曲线，不是T-AV曲线!1.升温情况:灵敏度S=(-2.01420.0022)mv/K保留三位有效数字就可以了！Vg=Vf(Ts)S.T=605(-2.0142)(-273.2-20.0)=1195.56mV=1.20V禁带宽度为Ea=eV。=1.20eVgg因此，相对误
10、差为dJ1.20T21|100%=0.83%1.212.降温情况：灵敏度S=(-1.95300.0092)mv/KVg=Vf(Ts)ST=605(-1.9530)(-273.2-20.0)=1177.62mV=1.18V禁带宽度为Eg=eVg=1.18eVgg因此，相对误差为d=|1.18-1.21|100%=2.48%1.21实验小结及建议：本实验是一个比较精确的实验，引起误差的主要因素有如下述：仪器方面，仪器显示的温度与实际温度有所偏差，而且温度变化越快，偏差越大；读数方面，由于同一个AV对应多个T的值，读数的标准也会影响结果；从本次实验的结果来看，一方面，两条直线的相关系数分别为-0.9
11、9999和-0.99986,线性较好；而且升温部分线性好过降温部分，这是因为升温快慢可以控制使得比较稳定，而降温则难以控制；另一方面，相对误差分别为0.83%和2.48%,降温部分误差较大，仪器方面和读数方面的影响都可能是造成偏差的原因，而且用来计算相对误差的标准值只给出了小数点后两位，计算时对数值的约舍也会对结果造成影响；总的来说，实验结果基本让人满意，在现有实验条件下，实验比较准确。小建议：建议在实验中，可以在升温时先升得慢点，等温度稍高时，可以加热快些，这是因为Vf-T曲线的线性高温端优于低温端(对于给定的PN结，其线性度亦随温度的高低而有所不同，是非线性项Vn1引起的，由Vn1对T的二
12、阶导数d2Vn1/dT2=1/T,可知dVn1/dT的变化与T成反比，所以Vf-T的线性度在高温端优于低温端。1),这也是为什么实验中改用0.5A加热时线性反而好过0.4A;同理，在降温时，一开始降温较快，后来降温较慢，不应该人为施加影响，而且如果到最后温度难以到达最低点，则最低点数据不可靠，不如舍去。分析的不错，但实验的时候也应该注意要求，不能升温过慢，升温的时间是老师们总结出来的经验结果，并且这个结果也一直都很好，作出的曲线线性也很好，因此应该注意实验上的要求，同时，报告交的也有些晚了吧，应该是周三晚上就上传好的，希望以后要注意些！总体来说，实验做的不错！思考题：1 .测Vf(0)或Vf(Tr)的目的何在？为什么实验要求测？VT曲线而不是Vf-T曲线?见实验原理测量Vf(0)或Vf(Tr),便于进行调零，实现？V=0,并且能根据Vf(0)或Vf(Tr)求得Vg(0),进而求出Eg(0)；测量？VT曲线而不是VfT曲线，因为？VT曲线的斜率就是灵敏度S,而且调零后?V=0,便于取点，便于数据处理；2 .测？VT曲线为何按？V的变化读取而不是按自变量T取？V?答：T比AV变化更加灵敏，同一个AV从开始到结束对应T的一个区间，按？V的变化读取T便于确定读数的标准，也可以减小误差，甚至可以说若是按自变量T取？V,必然造成读数错误而非仅仅是误差较大。物理三班金秀儒2006.11.29
