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文檔簡介
1、pn結(jié)正向壓降溫度特性研究【實驗目的】1、了解pn結(jié)止向壓降隨溫度變化的基本關系式.2、在恒定正向電流下,測繪pn結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線,并由此確 定其靈敏度.3、學習用pn結(jié)測溫的方法.【實驗儀器】1、dh-pn-1型pn結(jié)止向壓降溫度特性實驗儀【實驗原理】1> pn 結(jié)在一塊完整的硅或錯上用不同的工藝摻入雜質(zhì),使得其一半成為p型 半導體,而另一半成為n型半導體,那么,在這兩種半導體的交界處就會形成 pn結(jié).在p型與n型半導體結(jié)合后,由于p型半導體具有較高濃度的空穴,而 n型半導體具有較高濃度的自由電子,在他們交界處的兩邊就出現(xiàn)了電子 與空穴的濃度差別從而,電子與空穴都要朝著較低濃度
2、的方向擴散這種擴 散作用,使得在p、n交界處之間形成了具有一定大小的擴散電流.另一方面,由于p型半導體中空穴的流失,使得p型半導體中留下了一 定量帶負電的離子;而n型半導體中由于電子的流失/吏得其屮留下了一定 量的正離子由于正負電荷之間的相互作用,使得在交界薄膜中形成了從n型半 導休指向p型半導體的空間電場而空間電場的形成使得一部分的空穴與電子沿與擴散相反的方向運動,形成漂移電流.空穴與自由電子的擴散使得空間電場增強,而空間電場的增強卻又抑制空穴與電子的擴散,從而,在一段時間之后,擴散電流將與漂移電流達到動態(tài)平衡而在p型與n型半導體 的兩側(cè)則會留下不能自由移動的離子薄層,而這個離子薄層 在p、
3、n半導體交界血附近所構(gòu)成的過渡區(qū)(空間電荷區(qū)),圖1 pn結(jié)即稱為pn結(jié).2、pn結(jié)的正向壓降溫度特性根據(jù)pn結(jié)理論,pn結(jié)的伏安特性可表達如下:?quf?(1-1) if?io?e?l?式中if為通過pn結(jié)的正向電流'uf為其正向電壓,10為反向飽和電流; q為電子的電荷量t為絕對溫度k?1.38?10?23j/k是玻爾茲曼常量當正向電 壓uf?0.1v時,equf?e3.9?501z故上式可近似為if?ioe由式(1-2)得quf(1-lnlf?l nioequfqu?lnlf?lnlo?f又io?bte?quglnlf?ln bt?q?uf?ug? (1-3) btuf?ug?k
4、t?ln?f?式(1-3)即為pn結(jié)兩端正向電壓與其溫度、通過電流z間的關系. 英中,ug為0k時材料的導帶底與價帶?頂間的電勢差,b是與溫度無關的實驗常數(shù),t是與溫度有關的函數(shù) 項,?為與熱激發(fā)所引起的電子遷移率有關的系數(shù).取if為一常數(shù),則(13)式轉(zhuǎn)化為通過pn結(jié)的電壓uf與pn結(jié)溫度t 之間的關系.對uf取一階導數(shù),得?duf?k?ln盯?(1-4) ?f?dtduf即代表了 uf?t圖線的斜率,由(1-4)可以看出,斜率為負,uf隨溫 度t的上升而下降.dt對uf取二階導數(shù),得d2ufk?(1-5) 2dt其中,k?1.38?10?23 q?1.60?10?19z???3.4;t?29
5、315 得, d2ufk?6?1.0?10?0 2dt即,uf?t圖線的斜率可近似認為一常數(shù),uf?t可近似認為是一條直線. 根據(jù)(1-3)式?u?ktln?ktlnt?(1-6) btuf?ug?kt?ln?g?f?f?設'溫度為t1時,電勢差為u1ul?ug?ktllnf?ktllntl?乂ug?uf?ktln?ktlnt? f?ktltl?ul?ug?ug?uf(1-7)in?得由上推導可知,uf應與t呈線性關系,故設?t1u?t1?uf?t?u?uf?uf?(g?uf?uft1?t? ?k?)?tl?t?ug?uf?tl?k?tl?t?(1-8)k?令u?u?tl?ul?tl?
6、t?ktm?ln?(1-9)?設t?300k、t1?31ok,取?3.4可得u?0.048mv,而相應的正向壓降則改 變了 20mv,差值約為417倍湘比之下,誤差甚小.不過當溫度變化過大之后 uf?t圖線的線性誤差將有所遞增.由于uf與t呈很好的線性相關性,故 可利用uf的細微變化來測量當前環(huán)境的溫度這也是溫敏二極管測溫的基 本原理.【實驗步驟】1、打開pn結(jié)正向壓降溫度特性實驗儀并調(diào)節(jié)加熱電流值為零,記錄起 始溫度.2、將“測量選擇”開關調(diào)節(jié)到if檔,調(diào)節(jié)if旋鈕,使得面板上if的值 為零.3、將“測量選擇”開關調(diào)節(jié)到uf檔,記下初始時的uf值.4、將“測量選擇”開關調(diào)節(jié)到u,調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕
7、,使得u?0.5、調(diào)節(jié)加熱電流為0.500a,并記錄所對應的u和t值當u每改變10mv 時記錄一次t值直到pn結(jié)溫度達到大約100°c為止.6、畫出u?t圖像,并求被測pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度s?mv/°c?. 8、估算被測pn結(jié)材料的禁帶寬度eg?qug.9、實驗結(jié)束,收拾儀器.注意事項1、加熱裝置的溫升不應超過120°c,長期的過熱使用,將造成接線老化, 甚至脫焊.2、加熱電流不應大于0.500a,若長期使加熱電流過大,會使得儀器未來 的加熱效率變低3、使用完畢后即應切斷電源,以避免長時間加熱引起的安 全事故.【實驗數(shù)據(jù)整理】表一:ut測量數(shù)據(jù)其中,初
8、始正向電壓u0?667mv.【數(shù)據(jù)處理過程及結(jié)論】數(shù)據(jù)處理1、根據(jù)數(shù)據(jù),畫出u?t圖像如下detut2通過線性擬合,得到 u?2.03t?37.75,r?0.999952、由u?2.03t?37.75得到被測pn結(jié)止向壓降隨溫度變化的靈敏度為: s?2.03mv/°c. 3、被測pn結(jié)材料的禁帶寬度eg?qug?q?uo?st?q667?2.03?(18.2?273.15) ?1.26ev實驗結(jié)論k通過本次實驗,測得pn結(jié)兩端止向電壓與其上的溫度變 化呈很好地線性關系判斷是因為溫度升高導致p、n型半導體更容易激發(fā) 出空穴與自由電子加正向電壓時,由于載流子濃度的上升,使得漂移作用更 加明顯,pn結(jié)的導電能力增強宏觀上表現(xiàn)為pn結(jié)的電阻降低,故在相同的正 向電流if下,溫度上升將導致pn結(jié)的正向電壓uf下降故以此推測:由于在溫度過高的情況下,pn結(jié)內(nèi)載流 子濃度的迅速增加(溫度上升,使得空穴與自由電子的運動速度上升,在一 定程度后,它們將有足夠的能量撞擊半導體分子,使得共價鍵被破壞,逸出更 多的電子兒這將導致pn結(jié)的正電壓迅速下降,故原理中的線性推導在溫度 過
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