PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究

1、pn結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究一、實驗簡介：眾所周知，常用于溫度的傳感器有熱電徜，測度電阻器和熱敏電 阻，紅外測溫儀等。其屮，pn結(jié)溫度傳感器具有靈敏度高，線性好， 響應(yīng)快易于集成化等，其他傳感器無法比擬的優(yōu)點，工作溫度范圍一 般在一50°c150°c靈敏度可達100mv/°c。而本實驗pn結(jié)只有2. 2mv/°c左右。二、實驗目的：1 了解pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式。2在恒流條件卜'，測繪pn結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線并由此確定其靈 敏度和被測pn結(jié)材料的禁帶寬度。3學習用pn結(jié)測溫度的方法。三、實驗原理：人們將高價元素(例如：p)摻雜

2、到硅材料屮，由于磷元素多電子，使 材料主要以電子導電稱p型半導體，將三價的硼元素摻雜到硅材料中 使材料中出現(xiàn)大量空穴稱n型半導體材料。將p型材料同n型材料粘 合在一起由于電子和空穴的擴散復合形成pn結(jié)。理想pn結(jié)的止向電流if和壓降w存在如下近似關(guān)系式。if=isexp(qvf/kt) 其屮q為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；t為絕對溫度；良為反is=ctrex?-qvo)/kt 向飽和電流，它是一個和pn結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)的系 數(shù)。其中c是與結(jié)面積、摻雜濃度等有關(guān)的常數(shù)；r也是常數(shù)(見附 錄)；vg (0)為絕對零度時pn結(jié)材料的導帶底和價帶頂?shù)碾妱莶睢?將(2)式代入(1)式，兩邊

3、取對數(shù)可得其中 ，v, (0)-(-in)7q】fktvni=-(ntr)g方程(3)就是pn結(jié)正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達式，它是pn 結(jié)溫度傳感器的基本方程。其中：vg (0)絕對零度時pn結(jié)材料 的導帶底和價帶頂?shù)碾妱莶?。q電子的hi荷。k玻爾茲曼常數(shù)。t絕對溫度。l一一pn結(jié)中正向電流。/ 一常數(shù)。令if=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化，但是在方程(3)中，除線性項v外還包含非線性項vnlo下而來分析一下vnl項所引起的線性誤差。設(shè)溫度由雞變?yōu)閠時，止向電壓由變?yōu)関f,由(3)式可得t kt t vf=vjo）-vjo）-vfi- 一一ln（-） q lx按理想的線性溫度響應(yīng)，vf

4、應(yīng)取如卜形式5vfi （、v理想=匕|+才_片）avn9vf莎等于兒溫度時的莎值。由（3）式可得svfivg（o）-vn k=r6ttiq所以= vf + 一冷心）t k= v(0)-ws-vn-r(t-tl)'1 q由理想線性溫度響應(yīng)（7）式和實際響應(yīng)（4）式相比較，可得實際響應(yīng)對線 性的理論偏差為ka =-r(t,-t) +q設(shè) a = 300k, t = 310k,取 r = 3. 4*,由(8)式可得 a =0. 048mv,而和應(yīng)的w的改變量約20mv,相比之下誤差甚小。不過當溫度變化范圍增大時，溫 度響應(yīng)的非線性謀差將有所遞增，這主要由于r因子所致。綜上所述，在恒流供電條件

5、下，pn結(jié)的vf對t的依賴關(guān)系取決于線性項vi, 即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是pn結(jié)測溫的依據(jù)。必須指岀，上述結(jié)論僅適用于雜質(zhì)全部電離，木征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間（對于通常的硅二極管來說，溫度范圍約一50°c150°c）o如果溫度低于或高于上述范圍時，由于朵質(zhì)電離因子減小或本征載流子迅速增加，vft關(guān)系將產(chǎn)生新的非線性，這一現(xiàn)象說明wt的特性還隨pn結(jié)的材料而異，對于寬帶材料（如gaas）的其pn結(jié)，高溫端的線性區(qū)則寬；而材料雜質(zhì)屯離能?。ㄈ鐃nsb）的pn結(jié)，則低溫端的線性范圍寬，對于給定的pn結(jié)，即使在雜質(zhì)導電和非木征激發(fā)溫度范圍 內(nèi)，其線性度亦隨溫度的高

6、低而有所不同，這是非線性項險引起的，由險對t 的二階導數(shù)吐=丄可知的變化與t成反比，所以vf-t的線性度在高溫優(yōu)于低 dtj t溫端，這是pn結(jié)溫度傳感器的普遍規(guī)律。此外，由(4)式可知，減小i”可以改善線性度，但并不能從根本上解決問題，目前行之有效的方法大致有兩種：1. 利用對管的兩個be結(jié)(將三極管的基極與集電極短路與發(fā)射極組成一個pn結(jié))，分別在不同電流1口、*卜'工作，由此獲得兩者z差(2)與溫度成 線性函數(shù)關(guān)系，即q ii：2由于品體管的參數(shù)冇一定的離散性，實際與理論仍存在差距，但與單個pn 結(jié)相比其線性度與精度均有所提高，這種電路結(jié)構(gòu)與恒流、放大等電路集成一體， 便構(gòu)成集成

7、電路溫度傳感器。2. okira ohte等人提出的采用電流函數(shù)發(fā)生器來消除非線性誤差。由(3) 式可知，非線性誤差來口 t項，利用函數(shù)發(fā)生器，i卜比例于絕對溫度的工、次方， 則v.-t的線性理論誤差為a=0o實驗結(jié)果與理論值頗為一致，其精度可達 o.orco四、實驗裝置：實驗系統(tǒng)由樣品架和測試儀兩部分組成。五、實驗方法和內(nèi)容：1. 實驗系統(tǒng)檢查與連接。a、取下樣品室的筒套，查待測pn結(jié)管和測溫元件應(yīng)分別放 在銅座的左右兩側(cè)圓孔內(nèi)，其管腳不與容器接觸，然后 擰緊筒套。b、控溫電流開關(guān)應(yīng)放在“關(guān)”的位置，此時加熱指示燈不亮，接上加熱電源線和信號傳輸線。2. vr (tr)的測量和調(diào)零開啟測試儀電

8、源預熱數(shù)分鐘后，將“測量選擇”拔到if由 調(diào)節(jié)”使if=50微安。將“測量選擇”拔到vf記下vf值， 再將“測量選擇”拔置av rh “av調(diào)零”使v=o3. 測定avt曲線：開啟加熱電源，按av每改變5毫伏讀取一組av, to這樣 可以減小誤差。4. 求被測pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的曲線的靈敏度s mv/°c (作出avt曲線，其斜率就是s5. 估算被測pn結(jié)材料硅的禁帶寬度es (0) =qv,0)電子伏 zt=2732k結(jié)果與es=1.21電子伏作比較,求誤差。6. 數(shù)據(jù)記錄：實驗起始溫度ts=°c工作電流u a起始溫度為ts時的正向壓降vf= mv控溫電流a/v =

9、 vf (t) -vp (tr)mvt°ct=273. 2+tk六、注意事項與預習：a：注意事項：1.控溫電流不應(yīng)開始放的過大，應(yīng)慢慢的加大電流，且不應(yīng)將電 流值加過0. 5ao2. “if調(diào)節(jié)，與v調(diào)零”確定后，在整個實驗過程中不要再次調(diào)節(jié)。 b：預習思考題：1. pn結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系？2. 測量吋i嚴? /v=?3. 測量時記錄的溫度為k氏溫度還是攝氏溫度？4. 實驗加溫時應(yīng)注意些什么？七、實驗報告的要求:1. 實驗題口2. 實驗儀器3. 實驗原理4. 實驗裝置圖與原理分析5. 實驗方法與內(nèi)容6. 實驗的數(shù)據(jù)分析（作圖、求靈敏度、禁帶寬度）八、附:實驗數(shù)據(jù)分析ts=31.9°cif=50微安vt 606mv控溫電流azv=vf（t） -vf（tr）mvt°c