PN结正向压降温度特性的研究实验报告

实实 验验 报报 告告 评分 7 系 09 级 学号 PB09007163 姓名 李秋阳 日期 2010 年 10 月 13 日 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 IF和压降 VF存在如下近似关系 1 exp kT qV IsI F F 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 0 exp kT qV CTIs g r 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 11 0 n r F gF VVInT q kT T I c In q k VV 其中 r n F g InT q KT V T I c In q k VV 1 1 0 这就是 PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式 令 IF 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 Vn1项所引起的线性误差 设温度由 T1变为 T 时 正向电压由 VF1变为 VF 由 3 式可得 实实 验验 报报 告告 评分 7 系 09 级 学号 PB09007163 姓名 李秋阳 日期 2010 年 10 月 13 日 4 r nFggF T T q kT T T VVVV 11 1 1 0 0 按理想的线性温度影响 VF 应取如下形式 5 1 1 1 TT T V VV F FF 理想 等于 T1温度时的值 T VF 1 T VF 由 3 式可得 6 r q k T VV T V Fg F 1 1 1 0 所以 7 rTT q k T T VVVTTr q k T VV VV Fgg Fg F1 1 11 1 1 1 0 0 理想 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 r F T T Ln q kT TTr q k VV 1 1 理想 设 T1 300 k T 310 k 取 r 3 4 由 8 式可得 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 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 IF1 IF2下工作 由此获得两者电压之差 VF1 VF2 与温度成 线性函数关系 即 2 1 21 F F FF I I In q kT VV 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 IF比例于绝对温度的 r 次方 则 VF T 的线性理论误差为 0 实实 验验 报报 告告 评分 7 系 09 级 学号 PB09007163 姓名 李秋阳 日期 2010 年 10 月 13 日 四 实验装置四 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 IF 电流输出范围为 0 1000 A 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 TR时的正向压降 VF 0 或 VF TR 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 V0 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 IF VF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 IF 由 IF调节 使 IF 50 A 2 将 K 拨到 VF 记下初始温度 T 和对应 VF 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 实实 验验 报报 告告 评分 7 系 09 级 学号 PB09007163 姓名 李秋阳 日期 2010 年 10 月 13 日 数据处理与误差分析 实验测量数据如下 实验起始温度 TS 26 0 工作电流 IF 50 A 起始温度为 TS时的正向压降 VF TS 609mV V mv 升温过程 T 降温过程 T 1030 129 9 2034 134 2 3038 638 3 4042 842 3 5047 146 5 6051 450 7 7055 654 9 8059 959 1 9064 163 4 10068 367 6 11072 471 9 12076 776 1 13080 980 4 14085 184 7 15089 289 0 16093 593 2 17097 797 4 180102 0102 0 表一 实验数据表 利用 ORINGIN 将升温和降温过程分别作图 实实 验验 报报 告告 评分 7 系 09 级 学号 PB09007163 姓名 李秋阳 日期 2010 年 10 月 13 日 升温过程 V T 曲线 V T 曲线 图像数据 实实 验验 报报 告告 评分 7 系 09 级 学号 PB09007163 姓名 李秋阳 日期 2010 年 10 月 13 日 降温过程 曲线 曲线 图像数据 由上图数据可知 实实 验验 报报 告告 评分 7 系 09 级 学号 PB09007163 姓名 李秋阳 日期 2010 年 10 月 13 日 升温时曲线的斜率为 2 36628 其误差为 0 0025 而相关系数为 0 99998TV 降温时曲线的斜率为 2 36247 其误差为 0 00443 而相关系数为 0 99994TV 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 Eg TS VVTSTVV SFgv 255 1 1000 2 273 36628 2 609 0 与公认值 1 21 比较有 7 3 21 1 21 1255 1 S SSg S TE TETE TE 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 Eg TS VVTSTVV SFgv 254 1 1000 2 273 36247 2 609 0 与公认值 1 21 比较有 6 3 21 1 21 1254 1 S SSg S TE TETE TE 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 VF 0 或 VF TR 的目的何在