PN结正向压降与温度(完结版)

1、PN结正向压降与温度关系的研究和应用（实验报告）姓名张艳平学号0815222037PN 结正向压降与温度关系的研究和应用、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。二、实验原理理想 PN 结的正向电流|F和压降VF存在如下近似关系式IFISexp(qVF/kT)其中 q 为电子电荷；K 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；| |S为反向饱和电流，它是一个和 PN 吉材料的禁带宽度以及温度等有关的系数,可以证明：其中 C 是与结面积、掺杂浓度

2、等有关的常数；r 也是常数 V Vg（0 0）为绝对零度时 PN 吉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IsCTrexp(qVg(0)/kT)VFVg(0)(klnF)T红lnTrqFq=VIVn1kckT其中VIVg(0)(ln)T,VmlnTqFq按理想的线性温度响应，VF应取如下形式由（3）式可得：Vg(0)VFITi所以V理想VFIVg(0)VFITikr(TqTi)Vg(0)Vg(0)VFIT3(TTiqTi)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kV理想VF-r(TiT)qS/T、rln(-)qTi(8)设

3、Tl=30OKT=3iOK 取 r=3.43.4，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，PN 结白VV 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，本征激发可以忽略的温度区间（对于通常的硅二极管来说，温度范围约 5050C Ci50i500C C）。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

4、的非线性，这一现象说明的VF-T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高低而有所不同，这是非线性项 v vni引起的，由 V Vni对 T 的二阶导数-VJdTdT可知蛆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，这是 PN 结温度传感器的普遍规律。止匕外，由（4）式可知,减小| |F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

5、 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 P 埠温度传感器的基本方程。令|F=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 Y 外还包含非线性项VIO 下面来分析一下%项所引起的线性误差。设温度由T变为 T 时，正向电压由VM变为NF，由（3）式可得:VFTkTTrVg(0)Vg(0)VFI-ln(-)rTiTi(4)丫理想VFi(TTi)VFI(5)等于工温度时的一 V VF 值(6)者之差(V(VF1V VF2) )与温度成线性函数关系，即kT

6、IF1VFIVF2In-q1F2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 FN 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。2.OkiraOhte 等人提出的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比例于绝对温度的 r 次方，则 V VF-T 的线性理论误差为0。实验结果与理论值颇为一致，其精度可达0.010C。三、实验方法和内容1 .实验系统检查与连接A.取下样品室的筒套(左手扶筒盖，右手扶筒套逆时针旋转)待测PN结管和测温元件应分放在铜座的左、右两侧圆孔内，其管

7、脚不与容器接触，然后放好筒盖内的橡皮0圈，装上筒套。CH的作用是当样品室在冰水中进行降温时，以防止冰水渗入室内。B.控温电流开关置“关”位置，此时加热指示灯不亮。接上加热电源线和信号传输线.两者连线均为直插式，在连接信号线时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，再按插头的紧线夹部位，即可插入。而拆除时，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。2 .VF(或)VF(TR)的测量和调零将祥品室埋入盛有冰水(少量水)的杜瓦瓶中降温，开启测试仪电源(电源开关在机箱后面，电源插座内装保险丝),预热数分钟后，将“测量选择”开关(以下简称K)拨到IF,由“IF调

8、节”使 I IF50uA50uA 待温度冷却至 0 00C C 时，将K拨到 V VF(0)(0), ,记下 V VF(0)(0)值，再将K置于 V,V,由“V调零”使V=O。本实验的起始温度TS亦可直接从室温 T TR开始，按上述步骤，测量 V VF(T(TR) )并使V=O。3 .测定VT曲线取走冰瓶，开启加热电源(指示灯即亮)，逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的V和T，至于VT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。应该注意：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1200C C 左右。4 .求被测PN结正向压降随温度变化

9、的灵敏度S(mFC)C)。作 V V-T曲线，其斜率就是S。5.估算被测PN结材料硅的禁带宽度Eg(。=qVg(0)电子伏。根据(6)式，略去非线性项，可得Vg(0)VF(0)呈TVF(0)S?T_0.,-,T273.2KT273.2K 即摄氏温标与开尔文温标之差。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。6.数据记录及处理VF(0)=574mV表 1 测定 V(mVT(0C C)V-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-110-120-130T24.428.933.538.042.547.351.856.360.965.469.974.9

10、79.1908070)60C50T401302010013-V-T 图_-T|1I1i1lirl11201101p0_9Vf-60-50-30-20-10-V(mV实验起始温度 Ts=18.90C C。工作电流50uAo起始温度为 Ts 时的正向压降VF(Ts)=574mV。斜率即是灵敏度 S=(-10+130)/(24.4-79.1)=-2.19C/mVP 阴材料禁带宽度 Eg(0)=q*Vq(0)eVVg(0)=VF(0)+S*AT则，Eg(0)=q*VF(0)+S*AT=1.6*1019*0.574+(-2.19)*(-273.2)*0.001=1.173Ev实验值 Eg(0)=1.17

11、3eV公认值 Eg(0)=1.21Ev误差”=|1.173-1.21|/1.21*100%=3.05%四、预习思考题1 .测VF(0)或VF(TR)目的何在？为什么实验要求测曲线 VT 而不是VF-T曲线。答;测量VF(0)是为了计算后面的禁带宽度 Eg(0).Vg(0)=VF(0)+S*T 计算实验值 Vg(0)需要灵敏度 S根据实验原理可知，VFT 线应是不通过原点的,而 AVT 曲线则为通过原点的近似直线.为便于提高测量精度，本实验要求V 读取 T。2 .测 VT 为何按 V 的变化读取 T,而不是按自变量 T 读取 V。思考题：1、简要说明本实验的结论以及您的实验心得。结论：1 .根据 PN 结温度传感器的基本方程，当正向电流为常数时，正向压降只随温度变化。2 .在恒流供电条件下，PN 结的 VF 对 T 的依赖关系取决于