PN结正向压降温度特性的研究实验报告

1、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 I 和压降 V 存在如下近似关系FFI=Isexp（）（1）FkT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，可以证明其中 C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V（0）为绝对g零度时 PN 结材料的导带底和价带顶的

2、电势差。将（2）式代入（1）式，两边取对数可得其中这就是 PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式。令 I 二常数，则正F向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项 V 外还包含非线性1Is=CTrexpqV(0)kT2）V=V(0)-InFgkTT-InTr=V+Vq1n13）项 V 项所引起的线性误差。n1设温度由 T 变为 T 时，正向电压由 V 变为 V,由（3）式可得1F1FV=V(0)V(0)VPkT1FggF1Tq按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式:V=V+VF1(T-T)F 理想F1QT15)线性的理论偏差为设 T=300k，T=310k，取 r=*,由(8)式

3、可得二，而相应的 V 的改变1F量约 20mV，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时，V 温度响应的F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：/T、TITi丿菩等于丁温度时的竺值。F6T由(3)式可得6)所以V=V+理想F1QVV(0)VkF1=gFLrQTTq-VkFLrTq(TT)=V(0)-V(0)V1ggF1Tq1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&二V理想k()丄kTT一V二一一rv一T丿丄Ln()rFq1qT8)|1、对管的两个 be 结

4、分别在不同电流 I,I 下工作，F1F2由此获得两者电压之差（V-V）与温度成线性函数关F1F2系，即V-V二竺In2F1F2qIF2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。PlE 矗电也扎2、利用函数发生器，使 I 比例于绝对温度的 r 次方，则 VT 的线性理FF论误差为=0。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

5、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 P 连接。加热器 H 装在中心管的支座下，其发热1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，P 和引线（高温导线）与容器绝缘，容器为电源负端，通过插件2P 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1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 I，电流输出范围为 0-1000UA 连续可调，另一组用F于加热，其控温电流为，分为十档，逐档递增或减，基准电源亦分两组,一组

6、用于补偿被测 PN 结在 0C 或室温 T 时的正向压降 V（0）或 V（T），RFFR悍諾室B-畔4两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；若降温，则 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 lmV/k 正比于绝对温度，它的工作温度范围为一k（即-55150C），相输出电压为一。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（相当于 AD590 在 0C 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

7、150C 的工作温区内，输给显示单元的电压为55150mV。便可采用量程为土的 31/2 位 LED 显示器进行温度测量。另一组量程为土 1000mV的 31/2 位 LED 显示器用于测量 I,V 和 V,可通过“测量选择”开关来实FF现。实验步骤：1）打开测试仪电源，将开关 K 拨到 I,由“I 调节”使 I=50uA。FFF2）将 K 拨到 V,记下初始温度 T 和对应 V（0）的值。将 K 置于 V,由“VFF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 10mV 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）

8、整理实验仪器。数据处理与误差分析：实验测量数据如下：实验起始温度 T=CS工作电流 I=50uAF起始温度为 T 时的正向压降 V（T）=609mVSFSV/mv升温过程 TC降温过程 TC-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-110-120-130-140-150-160-170-180表一：实验数据表利用 0RINGIN，将升温和降温过程分别作图：升温过程 AV-T 曲线：AV-T 曲线图像数据降温过程 AV-T 曲线：AV-T 曲线图像数据由上图数据可知：升温时AV-T曲线的斜率为，其误差为，而相关系数为降温时AV-T曲线的斜率为，其误差为，而相关系数为两次所作

9、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 二土 mV/C禁带宽度 E(TS)=V=V(T)+S-AT=0.609+(2.36628)x(273.2)/1000V=1.255VgSgvFS与公认值比较有在降温过程中 PN 结正向压降随温度变化的灵敏度 S 二土 mV/C禁带宽度E(TS)=V=V(T)+S-AT=0.609+(2.36247)x(273.2)/1000V=1.254VgSgvFS与公认值比较有误差分析：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 V(0)或 V(T)的目的何在为什么实验要求测 VT 曲线而不是FFRVT 曲线。F答：测量 V(0)或 V(T)是为了能