PN结正向压降与温度系的应用.ppt

PN结正向压降与温度关系特性研究 江苏省省级实验示范中心 徐州工程学院物理实验教学中心 PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快、体积小、轻便和集成化等特点，所以其应用十分广泛，但是这类温度传感器的工作温度一般为-50℃～150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大。 本实验是集电学、热学为一体的综合性实验。 一、实验目的 1、了解PN结的产生与特性，了解PN结正向压降随温度变化的关系。 2、测绘PN结正向压降随温度变化的曲线，并由此确定其测温灵敏度。 3、学会一种半导体禁带宽度的测量方法。 二、实验原理 N型半导体与P型半导体 在纯净半导体晶体点阵里，用半导体掺杂工艺掺入少量其他元素的原子而成为“杂质半导体”，分为电子半导体（N型半导体）和空穴半导体（P型半导体）两大类。常温下，单独的N型半导体电子多，空穴少；单独的P型半导体空穴多，电子少。 - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - 扩散运动 N型 P型 P-N结的形成 空穴浓度大，电子浓度小 电子浓度大，空穴浓度小 - - 当P型半导体和N型半导体接触时，N型中的电子向P型扩散，P型中的空穴向N型中扩散。电荷转移的结果是在交界面两侧出现正负电荷的积累，在P型一侧是负电，N型一侧是正电。这些电荷在交界处形成电偶层，这就是“P-N结”。 - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - - - PN结 - - - - - N型 P型 P-N结的形成 厚度约10-10m 内电场 内电场阻止多数载流子扩散 从界面的N侧指向P型的“内建电场”，阻止N型电子和P型空穴进一步越过边界扩散，从而达到一个平衡状态，P-N结中的自由电荷少，是一个高阻挡层。 - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - - - - - - + - 外电场 - - - P-N结的变化 - 由于阻挡层的存在，外加电压加到PN结两端时，阻挡层处的电势差将发生改变。 加正向电压时，外电场的方向与阻挡层的电场方向正好相反，从而使阻挡层变薄，于是N型中的电子和P型中的空穴易于通过阻挡层，向对方继续扩散，进而形成正向电流。 - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - - - - - - PN结变薄 + - 外电场 - - - PN结加正向电压VF则导通， 产生正向电流IF P-N结的变化 - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - - - + - PN结变厚 外电场 P-N结的变化 内电场 若在PN结加反向电压，则N型中的电子和P型中的空穴都难通过阻挡层，电流极小。 - 根据严格的半导体理论推导，得知理想P-N结的正向电流IF和正向压降VF存在如下近似关系 q为电子电量，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，Im反向饱和电流。而 C是与结面积、掺杂浓度有关的常数；r的数值取决与少数载流子迁移率对温度的关系，通常取r=3.4；Vg(0)为绝对零度时P-N结材料的导带底与满带顶间的电位差，即禁带宽度对应的电势差，它与电子电量的乘积就是半导体的禁带宽度。 （6-3） 令 （6-4） （2） （1） P-N结正向压降与温度关系 （3） （4） （5） 当温度T变化时，如果设法保持电流IF大小不变，则V1将随温度T增加而线性减小，即V1温度T的的线性函数项。 Vn1将随温度T的变化作非线性变化。但可以证明，如温度的变化范围在-50～1500C之间，则Vn1的变化量相对于V1的变化量很小，可忽略。 将(2)代入（1）式，两边取自然对数，可得PN结温度传感器的基本方程： 可见：在恒流供电（即IF值不变）、温度的变化范围在-50～150℃的条件下，P-N结的正向压降VF对温度T的依赖关系主要取决于线性项V1，即正向压降VF几乎随温度升高而线性下降。这就是P-N结测温度的依据，即只要测出P-N结的正向压降VF，再已知Vg(0)、K、q、C、IF、r,即可知温度T。 计算P-N结材料的禁带宽度 禁带宽度Eg（0）是电子的电量q与热力学温度0K时P-N结材料的导带底和满带顶的间电势差Vg（0）