PN结正向压降与温度关系的研究实验报告

PN结正向压降与温度关系的实验报告课程：材料41名称：唵宇廷学号：21409006001一、实验目的(1)了解PN联接正向压降与温度的基本关系，并确定PN联接特性曲线和玻尔兹曼常量。(2)映射PN结正向压降温度变化的关系曲线，以确定灵敏度和PN结材料的带隙宽度。(3)学习用PN联接测量温度的一般方法。二、实验设备SQ-J型PN接合性质测试器、电晶体(3DG6)、温度测量元件、范例支架等。三、实验原理1.pn接头性质和玻耳兹曼常数k测量：半导体物理学中对PN结的研究发现，PN结的恒流和正向电压有以下关系=(exp-1)933e是电子电荷，k是玻尔兹曼常量，t是热力学温度，反向饱和电流是与PN结材料的带隙宽度和温度相关的系数，是不随电压变化的常数。在室温(300K)下，kT/q=0.026，PN接头的正向压力降通常为0.0伏特，因此可以忽略exp ，1上括号中的第二个项目，因此这是PN连接恒流和正向电压呈指数变化的关系，在测量半导体PN连接的关系值时，可以回忆e/kT。如果测量温度t，就能得到e/k常数，如果替换电子电量，就能得到玻尔兹曼常数k。在实际测量中，二极管的正向关系更能满足指数关系，但k值较小的情况很多，这是因为二极管的正向电流不仅包含扩散电流，还包含其他电流成分。耗竭层复合电流、表面电流等。实验中使用了硅晶体管而不是硅二极管，复合电流主要发生在基座上，晶体管(集电极和基极短连接)用公共基线连接，集电极电流不包含复合电流。如果选择高性能硅晶体管作为低正向偏压状态，表面电流的影响可以忽略不计。此时，集电极电流和发射极基准电压满足式，对其进行验证，得出正确的e/k常数。2.PN结材料带隙宽度的测量：物理学知道，当PN结材料带隙宽度绝对为零时，PN结材料的铅带底部和原子价带顶部之间的电位差有以下关系在表达式中，r是常数，c是与连接面积、掺杂浓度等相关的参数，在式世代餐后得到两边的对数其中式是PN结正向压降、正向电流和温度之间的函数关系，是PN结温度传感器运行的基本方程式。如果保持恒流不变，正向压降仅取决于温度(除线性项外)，并且包含线性项，但温度变化范围不大(硅二极管的-50 150)，则可以证明可以忽略错误。因此，恒流电源条件下PN接头正向压降对环境温度t的依赖主要取决于线性项目。也就是说，PN接头的正向压力降随温度的增加线性减少，因此是PN接头温度测量的基准。但是必须指出，这个结论只适用于杂质全部电离，固有激发可忽略的温度区间。温度过高或过低(不在上述温度范围内)，杂质电离系数降低或固有载流量迅速增加，表明关系的非线性变化更加严重，特性与PN联接材料相关。实验结果证明，由宽带材料(如GaAs)组成的PN连接具有较大的高温端线性区域，材料(如Insb)杂质电离能量较小的PN连接具有较大的低温端线性区域，对于给定PN连接，杂质的导电率和弱油激发温度范围内的线性度也取决于温度的高低。从的形式来看，减少可以提高线性度，但这根本无法解决问题，目前的有效方法是对管使用两个be接头(即晶体管底座和收集器短路后的发射器和PN接头配置)，分别在不同电流下运行，以获得电压差异和温度之间的线性关系。与单个PN联接相比，提高线性度和精度。如果将该电路与恒流，放大等电路集成，就会成为集成电路传感器。根据风格，可以省略非线性。VG=VF(0)VF(0)t/t=VF(273.2)st(5) t=-273.2k是温度指示和开氏温度指示之间的差异，s是正向压力降对温度变化的敏感度。四、实验装置实验仪器由样品架和试验机两部分组成，样品架结构如图所示。其中a是样品室。正在测试的示例PN连接管将晶体管3DG6的基极和集电极短接成正极，然后将该发射极作为由阴极组成的二极管，与温度测量元件(AD590)一起放置在铜片b上。正在测试的PN接头的温度和电压信号输入测试器。测试器由恒流源、基准电源和显示设备等组成。测量电路的方块图如下图所示。Ds测试中的PN接头。恒流源1是电流输出在0-1000 a范围内连续调节的If，恒流源2用于加热，温度控制电流被分割为0.1-1A的10个文件，每个文件交换电流0.1A。根据不同的加热速度要求，可以选择齿轮。基准电源主要用于“ v”的零点调节。五、实验内容1.玻耳兹曼常量k测量在一定温度条件下测量的关系曲线，实验可以在室温下进行。PN结材料带隙宽度的测量测量选择开关k到If，If=50A调整，k到VF，记录起始温度TS的VF(TS)值，将k设置为 v， v=0调整。 v-T关系曲线测量：打开电源开关，逐渐增加加热电流，测量与 v对应的T值，并记录每个V变化的10mV记录T的值。必须测量加热速度不太快，温度超过120是不可取的。六、数据记录和处理找到玻耳兹曼常量k室温TR=19.2C表1玻耳兹曼常量k度量A(IF)01234VF(mV)378454507516526A(IF)56789VF(mV)530536541544548A(IF)1020304050VF(mV)552569579586592A(IF)60708090100VF(mV)597601604607610使用MATLAB按指数函数拟合IF、VF数据表达式。代码：I=1 2 3 4 5 6 8 10 20 30 40 50 70 70 80 90 100；v=454 507 516 526 530536 541 548 548 552 569 579 586 597 601 604 607 610；I=I/10 6；v=v/10 3；Cf工具使用自适应工具cf工具进行拟合。结果如下：General model Exp1:F(x)=a*exp(b*x)Coefficients(具有95% confidential bounds):A=8.923e-014 (-3.335e-014，2.118e-013)B=34.1 (31.81，36.38)Goodness of fit:SSE 3360 1.025 e-010R-square: 0.9949Adjusted R-square: 0.9946RMSE: 2.455e-006处理数据的方法如下：E/kT=34.1k测量值=1.6 * 10-19/(273.15 21.3)* 34.1=1.33 * 10-23k实际值=Ek=|k -k实际值|/=|1.33-1.38|/1.38=3.6%PN结硅材料带隙宽度的测量将测量的数据写入表2，起始温度TS=19.3C，正向压降VF(TS)=592mV。表2禁止测量频带宽度VE v (mv)0102030405060708090100T(C)19.323.828.232.737.341.646.150.655.059.363.8用MATLAB作为V-T关系曲线求直线的斜率s。代码：DV=0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100；t=19 . 3 23 . 8 28 . 2 32 . 7 37 . 3 41 . 6 46 . 1 50 . 6 55 . 0 59 . 3 63 . 8；Cf工具使用自适应工具cf工具进行拟合。结果如下：Linear model Poly1:F(x)=p1*x p2Coefficients(具有95% confidential bounds):P1=2.247 (2.239，2.256)P2=-43.5 (-43.87，-43.13)Goodness of fit:SSE: 0.2731R-square: 1Adjusted R-square: 1RMSE: 0.1742处理数据的方法如下：S=-2.247VG(0)=VF(0)t/t=VF(273.2)s *t=592-2.247(-273.2 19.3)=1162mv=1.162mv在19.3 时测量的PN连接带宽度：Eg(0)=eVg(0)=1.16eVVii .实验性感情和收获：通过本实验，了解了PN联接正向电流和正向压力降之间的指数变化规