1、实验报告：PN结正向压降温度特性的研究张贺 PB07210001一、实验题目：PN结正向压降温度特性的研究二、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。三、实验仪器:样品架和测试仪。四、实验原理：理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系 （1）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 （2）（注：（1），（2）式推导参考 刘恩科 半导体物理学第六章第二节
2、）其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r也是常数；Vg(0)为绝对零度时PN结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 （3）其中 这就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN结温度传感器的基本方程。令IF=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V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差。设温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF，由（3）式可得 （4）按理想的线性温度影响，VF应取如下形式： （5）等于T1温度时的值。由（3）式可得 （6）所以 （7）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
3、的理论偏差为 （8）设T1=300k，T=310k，取r=3.4*,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结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1，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-50150)。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；VFT关系将产生新的非线性，这一现象说明VF
4、T的特性还随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Vn1引起的，由Vn1对T的二阶导数的变化与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。此外，由（4）式可知，减小IF，可以改善线性度，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：1 对管的两个be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IF1，IF2下工作，由此获
5、得两者电压之差（VF1- VF2）与温度成线性函数关系，即 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，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 Okira Ohte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，使IF比例于绝对温度的r次方，则VFT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0.01。五、实验内容：1 开启测试仪电源，预热数分钟后，将“测量选择”开关K拨到IF，由“IF调节”使IF=50A，由“V调零”使V=0,将K拨到VF，记
6、下VF（0）值和起始温度T。2 开启加热电源，逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的V和T，按V每改变10 mV读取一组V、T。3 V到-180mV后，开始降温，仍是按V每改变10 mV读取一组V、T。4 整理实验仪器，处理数据。 六、数据处理：1 初始情况： 2作V-T曲线，求PN结正向压降随温度变化的灵敏度S：（1）升温时：-10-20-30-40-50-60-70-80-9024.129.134.138.943.748.553.458.262.9-100-110-120-130-140-150-160-170-18067.572.377.081.986.891.596.2100.91
7、05.6用Origin作图如下： V-T曲线其中：ValueStandard ErrorIntercept41.186920.22131Slope-2.090540.00317故： 截距 （2）降温时：-180-170-160-150-140-130-120-110-100105.0100.195.390.485.680.875.971.166.3-90-80-70-60-50-40-30-20-1061.456.651.847.042.437.733.028.223.4用Origin作图如下： V-T曲线其中：ValueStandard ErrorIntercept38.374690.208
8、45Slope-2.083980.00304故： 截距 （3）综上， 所以所求的PN结正向压降温度的灵敏度 3 求被测PN结材料硅的禁带宽度Eg(0):理论值 （1）升温：相对误差 （2）降温：相对误差 （3）综上：相对误差 七、误差分析：1 测量仪器在正常使用过程中测量环境和仪器性能随机涨落的影响。2 本实验中最大的误差是测温元件的温度与PN结实际温度之间的误差，这也是影响结果的线性性的主要原因。八、注意事项：1 实验前，首先要对测试仪预热。2 根据V的变化速度，适当的选择控温电流，保证升温与降温时间在20分钟左右，而不是一味的求快。3 加热过程中，温度最好不要超过120C。4 实验过程中（
9、尤其是做降温实验时），切忌接触样品室中的铜座，以免烫伤。5 记录数据时，要求V进入所需数据时，马上记录温度，以保证结果的线性性。九、思考题：1 测VF（0）或VF（TR）的目的何在？为什么实验要求测VT曲线而不是VFT曲线。答：（1）用来计算禁带宽度。（2）这是因为，在研究PN结正向压降随温度变化的灵敏度S时，测量V与测量VF得到的结果是等价的，而禁带宽度也可以通过与V（0）计算出来；测量过程中，为使得到的数据结果更好的呈现出线性性，要求VF的间隔是一致的，而取V可以更好的保证这一点。2 测VT曲线为何按V的变化读取T，而不是按自变量T取V。答：（1）由于实验中所测得的T与PN结的实际温度之间存在差值，按照V的变化读取T可以减少这种差值引起的误差。（2）做实验的过程中可以看出来，T的数值的变化速度比V的大得多，因此若按自变量T取V，因此会出现V取相同值时T已经变化了很多的情况，这样的得到的结果缺乏线性性，有很大的误差。综上所述，测V-T曲线会按V的变化读取T，而不是按自变量T取V。
