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PN结正向压降与温度关系的研究实验报告 班级：材物 41 姓名：禇雨婷 学号： 2140906001 一、 实验目的 （1）了解 PN 结正向压降随温度变化的基本关系，测定 PN 结 I F VF 特性曲线 及玻尔兹曼常数； （2）测绘 PN 结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及 PN 结材料 的禁带宽度； （3）学会用 PN 结测量温度的一般方法。 二、实验仪器 SQ-J型 PN 结特性测试仪，三极管（ 3DG6），测温元件，样品支架等。 三 、实验原理 1．PN 结 I F VF 特性及玻尔兹曼常数 k 的测量： 由半导体物理学中有关 PN 结的研究可以得出 PN 结的正向电流 I F 与正向电压 VF 满足以下关系 I F  = I  s （ exp  eVF kT  -1 ）  ⑴ 式中 e 为电子电荷量、 k 为玻尔兹曼常数， T 为热力学温度， I s 为反向饱和电流，它是一个与 PN 结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。由于在常温（ 300K）下， kT/q=0.026, 而 PN结的正向压降一般为零点几伏 , 所以 exp eVF  》,1  上式括号内的第二项可以忽略不计  , 于是有 kT I F  Is exp  eVF kT  ⑵ 这就是 PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系 , 若测得半导体 PN结的 I FVF 关系值 , 则可利用上式以求出 e/kT. 在测得温度 T 后 , 就可得到 e/k 常数 , 将 电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数 k。 在实际测量中，二极管的正向I F VF 关系虽能较好满足指数关系，但求得的 k 值往往偏小，这是因为二极管正向电流 I F 中不仅含有扩散电流，还含有其它电流 成份。如耗尽层复合电流 . 、表面电流等。在实验中 , 采用硅三极管来代替硅二极管，复合电流主要在基极出现，三极管接成共基极线路（集电极与基极短接），集电极 电流中不包含复合电流。若选取性能良好的硅三极管，使它处于较低的正向偏置状态，则表面电流的影响可忽略。此时集电极电流与发射极—基极电压满足⑵式，可验证该式，求出准确的 e/k 常数。 2．PN结材料禁带宽度的测量： 由物理学知， PN结材料禁带宽度是绝对零度时 PN结材料的导带底和价带顶间 的电势差 Vg ( 0) 有如下关系 I s CT r exp eVg (0) ⑶ kT ⑶式中， r 是常数， C 是与结面积、掺杂浓度等有关的参数，将⑶式代⑴式后 两边取对数得 VF  Vg (0)  ( k  ln  C  )T  kT  ln T r  VI  VnI  ⑷ e I F  e 其中 VI Vg k C T ( ln ) e I F VnI kT InT r e ⑷式即为 PN结正向压降、正向电流和温度间的函数关系，它是 PN结温度传感 器工作的基本方程。若保持正向电流恒定即 I F 常数，则正向压降只随温度变化， 显然，⑷式中除线性项 VI 外还含有非线性项 VnI ，但可以证明当温度变化范围不大 时（对硅二极管来说，温度范围在 -50 ℃-150 ℃） VnI 引起的误差可忽略不记。因此 在恒流供电条件下， PN结的正向压降 VF 对环境温度 T 的依赖关系主要取决于线性 项 VI ，即 PN结的正向压降随温度升高而线性下降，这就是 PN结测温的依据。但 必须指出，这一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。若温 度过高或过低（不在上述温度范围），则随着杂质电离因子减少或本征载流子迅速 增加， VFT 关系的非线性变化将更为严重，说明 VFT 特性还与 PN结的材料有 关。实验证明，宽带材料（如 GaAs）构成的 PN结，其高温端线性区宽，而材料 （如 Insb ）杂质电离能小的 PN结，其低温端的线性区宽，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，其线性度随温度的高低也有所不同，这是 非线性项 VnI 引起的。由⑷式可以看出，减小 I F ，可以改善线性度，但这不能从根 本上解决问题，目前行之有效的方法是利用对管的两个 be 结（即三极管基极和集 电极短路后与发射机组成一个 PN结）分别在不同电流 I F1. I F 2 下工作，得到两者电 压差 (VF 1 VF 2 ) 与温度间的线性关系： VF 1 VF 2 kT I e In I  1 F 2 使之与单个 PN结相比线性度与精度有所提高。将这种电路与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成电路传感器。 根据⑷式，略去非线性，可得 V = V (0)+V (0) T/T=V (273.2)+S ·ΔT (5) g F F F T=-