PN结正向压降与温度关系的研究应用实验报告.doc

PN结正向压降和温度关系研究试验汇报 班级：材物41 姓名：禇雨婷 学号： 一、 试验目标 （1）了解PN结正向压降随温度改变基础关系，测定PN结特征曲线及玻尔兹曼常数； （2）测绘PN结正向压降随温度改变关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料禁带宽度； （3）学会用PN结测量温度通常方法。 二、试验仪器 SQ-J型PN结特征测试仪，三极管（3DG6），测温元件，样品支架等。 三 、试验原理 1．PN结特征及玻尔兹曼常数k测量： 由半导体物理学中相关PN结研究能够得出PN结正向电流和正向电压满足以下关系 =（exp-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，为反向饱和电流，它是一个和PN结材料禁带宽度及温度等原因相关系数，是不随电压改变常数。因为在常温（300K）下，kT/q=0.026,而PN结正向压降通常为零点几伏,所以exp》,1上式括号内第二项能够忽略不计,于是有 ⑵ 这就是PN结正向电流和正向电压按指数规律改变关系,若测得半导体PN结关系值,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，二极管正向关系虽能很好满足指数关系，但求得k值往往偏小，这是因为二极管正向电流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。在试验中,采取硅三极管来替换硅二极管，复合电流关键在基极出现，三极管接成共基极线路（集电极和基极短接），集电极电流中不包含复合电流。若选择性能良好硅三极管，使它处于较低正向偏置状态，则表面电流影响可忽略。此时集电极电流和发射极—基极电压满足⑵式，可验证该式，求出正确e/k常数。 2．PN结材料禁带宽度测量： 由物理学知，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料导带底和价带顶间电势差有以下关系 ⑶ ⑶式中，r是常数，C是和结面积、掺杂浓度等相关参数，将⑶式代⑴式后两边取对数得 ⑷ 其中 ⑷式即为PN结正向压降、正向电流和温度间函数关系，它是PN结温度传感器工作基础方程。若保持正向电流恒定即常数，则正向压降只随温度改变，显然，⑷式中除线性项外还含有非线性项，但能够证实当温度改变范围不大时（对硅二极管来说，温度范围在-50℃-150℃）引发误差可忽略不记。所以在恒流供电条件下，PN结正向压降对环境温度T依靠关系关键取决于线性项，即PN结正向压降随温度升高而线性下降，这就是PN结测温依据。但必需指出，这一结论仅适适用于杂质全部电离、本征激发能够忽略温度区间。若温度过高或过低（不在上述温度范围），则伴随杂质电离因子降低或本征载流子快速增加，关系非线性改变将更为严重，说明特征还和PN结材料相关。试验证实，宽带材料（如GaAs）组成PN结，其高温端线性区宽，而材料（如Insb）杂质电离能小PN结，其低温端线性区宽，对于给定PN结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度随温度高低也有所不一样，这是非线性项引发。由⑷式能够看出，减小，能够改善线性度，但这不能从根本上处理问题，现在行之有效方法是利用对管两个be结（即三极管基极和集电极短路后和发射机组成一个PN结）分别在不一样电流下工作，得到二者电压差和温度间线性关系： 使之和单个PN结相比线性度和精度有所提升。将这种电路和恒流、放大等电路集成一体，便组成集成电路传感器。 依据⑷式，略去非线性，可得 Vg = VF(0)+VF(0)ΔT/T=VF(273.2)+S·ΔT (5) ΔT=-273.2oK为摄氏温标和开尔文温标之差，S为正向压降随温度改变灵敏度。 四 、试验装置 试验用具由样品架和测试仪两部分组成,样品架结构图所表示,其中A为样品室。待测样品PN结管是将三极管3DG6基极和集电极短接后作为正极,其发射极作为负极组成一只二极管，它和测温元件(AD590)均置于铜座B上,待测PN结温度和电压信号输入测试仪。 测试仪由恒流源，基准电源和显示单元等组成。测量电路框图以下图所表示。Ds待测PN结。恒流源1提供If，电流输出在0~1000A范围内连续可调，恒流源2用于加热，控温电流为0.1-1A,分为十档,每档改变电流0.1A 。可依据不一样升温速度要求选择档位。基准电源关键用于“ΔV”调零。 五、试验内容 1.测量玻尔兹曼常数k 在一定温度条件下，测量关系曲线，试验可在室温下进行。 2.测量PN结材料禁带宽度 将“测量选择”开关K拨到If