pn结物理特性测试.pdf

中国计量学院实验报告 课程名称 中国计量学院实验报告 课程名称 电子科学与技术实验 实验项目实验项目 PN 结物理特性测量 班级班级 电子 102学号 学号 姓名姓名 实验时间 实验时间 2012 11 一 实验目的实验目的 1 了解 PN 结物理特性测试仪的原理 2 掌握 PN 结物理特性测试仪的使用方法 3 用 PN 结物理特性测试仪进行 PN 结物理特性的测试 二 实验内容与原理 二 实验内容与原理 理想的 PN 结的正向电流 IF 和正向压降 VF 存在如下近似关系式 1 其中 q 为电子电荷 k 为玻尔兹曼常数 T 为绝对温度 IS 为反向饱和电流 它是一 个 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 见附录 Vg 0 为绝对 零度时 PN 结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 方程 3 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 但是在方程 3 中还包含非线性项 Vn1 下面来分析 Vn1 项所引起的线性误差 设温度由 T1 变为 T 时 正向压降 VF1 由变为 VF 由 3 式可得 4 按理想的线性温度响应 VF 应取如下形式 5 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 T1 310K 取 r 3 4 由 8 式可得 0 048mV 而相应的 VF 的改 变 量约 20 mV 相比之下 误差很小 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 这主要是由于 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 V1 即 正向压 降几乎随温度升高而线性下降 这就是 PN 结测温的理论依据 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 VF T 关系将产生新的非线性 这一现象说明 VF T 的特性还随 PN 结的材料而异 对于宽带材料 如 GaAs Eg 为 1 43eV 的 PN 结 其高温端 的线性区则宽 而材料杂质电离能力小 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 其线性度也随温度的高低 而有所 不 同 这 是 非 线 性 项Vn1引 起 的 由Vn1对T的 二 阶 导 数 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 这是 PN 结温度传感器的普遍规律 此外 由 4 式可知 减小 IF 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 利用对管的两个 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 在不同电流 IF1 IF2 下工作 由此获得两者之差 VF1 VF2 与温度成线性函数关系 即 9 由于晶体管的参数有一定的离散性 实际值与理论值仍存在差距 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 II 采用电流函数发生器来消除非线性误差 由 3 式可知 非线性误差来自 Tr 项 利用函数发生器 IF 正比于绝对温度的 r 次方 则 VF T 的线性理论误差 0 实 验结果 与理论值会比较一致 其精度可达 0 01 实验内容 实验内容 1 实验系统检查与连接 1 左手扶隔离圆筒上盖 J 右手扶隔离圆筒的筒套 A 取下圆筒的筒套 检查 待测 PN 结管 D 和测温元件 C 应放在测试圆铜块 B 的左右两侧圆孔内 其 管脚 应不与容器接触 然后套上筒套 A 2 将测试仪面板上的控温的加热器电流旋钮 5 逆时针旋到底 使加热器电流 IH 指示 0 000 A 接上加热器电源线和七芯信号传输线 将七芯屏蔽电缆信号线的插头 端接至加热测试装置顶部的插座 H 连接时 应先将七芯插头与七芯插座的凹凸定 位 槽对准 再按下插头线便可插好 将七芯屏蔽电缆信号线另一端 PN 结的两组红黑香蕉插头分别接至测试仪面板的 12 13 14 15 插孔 注意红黑要对应好 切勿接错 再将七芯屏蔽电缆信号线另一端的温度传感器输出端的红黑香蕉插头 接至测试仪 面板的 16 17 插孔 注意红黑要对应好 切勿接错 拆除信号线时 应拉插头的可动外套 决不可鲁莽左右转动 或操作部位不对而硬 拉 否则可能拉断引线影响实验 打开电源开关 预热几分钟后 此时测试仪上的温度表 4 将显示出室温 TR 记录起始温度 TR VF 0 或 VF TR 的测量 调节测试仪面板上的微电流 IF 调节旋钮 6 使 PN 结的正向电流 IF 50uA 将测试仪面板上测量转换开关 K 的 8 VF 测量选择按下 记录此时的 VF 值 将测试仪面板上测量转换开关 K 的 9 V 测量选择按下 调节 V 调零电位器 7 使 V 0 本实验的起始温度如需从 0 开始 则需将隔离圆筒置于冰水混合物中 待到温度 显示为 0 时 再进行上述测量 2 测定 V T 曲线 调节测试仪面板上的控温的加热器电流旋钮 5 逐步提高加热电流 IH 进行变温实 验 并记录对应的 V 和 T 至于 V 和 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 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 以内 3 求被测 PN 结正向压降随温度变化的灵敏度 S mV 以温度 T 为横坐标 为 V 纵坐标 作 V T 曲线 其斜率就是 S 估算被测 PN 结 材 三 实验器材 三 实验器材 PN 型 PN 结正向压降温度特性实验仪 四 实验结果 四 实验结果 IF 100 A 起始温度 t 16 1 时 VF 0 707V VfT 016 1 0 00116 4 0 00216 7 0 00316 5 0 00417 1 0 00518 5 0 00619 5 0 00722 1 0 00822 5 0 00922 6 0 0122 8 0 01123 1 0 01223 3 0 01324 0 01424 3 0 01524 9 0 01625 8 0 01726 0 01826 6 0 01927 7 0 0228 3 0 02128 9 0 02229 5 0 02430 2 0 02531 3 0 02731 9 0 02832 5 0 02933 0 03234 9 0 03335 2 0 03435 6 0 03536 5 0 03636 8 0 03737 1 0 03837 6 0 03938 2 0 0438 9 0 04139 5 0 04239 9 0 04340 4 0 04440 8 0 04541 4 0 04642 4 0 04742 9 0 04843 3 0 04943 9 0 0544 8 0 05145 4 0 05245 9 0 05346 4 0 05447 1 0 05547 5 0 05648 0 05748 7 0 05849 3 0 05949 7 0 0650 1 0 06150 6 0 06251 2 0 06351 7 0 06452 1 0 06552 8 IF 150 A 起始温度 t 19 3 时 VF 0 717V VfT 0 00119 3 0 00220 0 00321 0 00522 0 00723 0 00824 0 0125 0 01226 0 01327 0 01528 0 01729 0 01830 0 0231 0 02232 0 02433 0 02534 0 02735 0 02936 0 03137 0 03338 0 03439 0 03640 0 03841 0 03942 0 04143 0 04344 0 04545 0 04646 0 04847 0 0548 0 05149 0 05350 0 05551 0 05752 0 05853 0 0654 0 06255 0 06456 0 06657 0 06858 0 06959 0 07160 0 07361 0 07562 0 07663 0 07864 0 07965 0 08166 0 08367 0 08568 0 08769 五 实验结果分析 五 实验结果分析 S1 k1 0 065 50 0 0013 VVE VTSVVF e1374 1 0 e 0 1374 1 2 273 0013 0 707 01 0 1g1g 11g 相对误差 6 21 1 21 1 1374 1 S1 k1 0 087 50 0 00174 VVE VTSVVF e192368 1 0 e 0 192368 1 2 273 00174 0 717 01 0 1g1g 11g 相对误差 45 1 21 1 21 1 192368 1 六 思考题 六 思考题 1 测量时 为什么温度必须在 50 摄氏度 150 摄氏度范围内 答 因为对通常的硅二级管来说 在温度 50 摄氏度 150 摄氏度的范围内杂质全部电 离 本征激发可以忽略的温度区 如果温度低于或高于上述范围时 由于杂质电离因 子减小或本证载流子迅速增加 VF T 关系将产生新的非线性 2 V T 曲线为何按V 的变化读取 T 而不是按自变量 T 的变化读取V 答 因为温度 T 的读取