實(shí)驗(yàn)12PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究

1、實(shí)驗(yàn)12PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究隨著半導(dǎo)體工藝水平的不斷提高和發(fā)展，半導(dǎo)體PN結(jié)正向壓降隨溫度升高而降低的特性使PN結(jié)作為測(cè)溫元件成為可能，過(guò)去由于PN結(jié)的參數(shù)不穩(wěn)，它的應(yīng)用受到了極大限制，進(jìn) 入二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，微電子技術(shù)的發(fā)展日趨成熟和完善，PN結(jié)作為測(cè)溫元件受到了廣泛的關(guān)注。溫度傳感器有正溫度系數(shù)傳感器和負(fù)溫度系數(shù)傳感器之分，正溫度系數(shù)傳感器的阻值隨溫度的上升而增加，負(fù)溫度系數(shù)傳感器的阻值隨溫度的上升而減少，熱電偶、熱敏電阻，測(cè) 溫電阻屬于正溫度系數(shù)傳感器，而半導(dǎo)體PN結(jié)屬于負(fù)溫度系數(shù)的傳感器。這兩類傳感器各有其優(yōu)缺點(diǎn)，熱電偶測(cè)溫范圍寬，但靈敏度低，輸出線性差，需要設(shè)置參考點(diǎn)；

2、而熱敏電阻 體積小，靈敏度高，熱響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是線性度差；測(cè)溫電阻如鉗電阻雖然精度高，線性 度好，但靈敏度低，價(jià)格高。相比之下，PN結(jié)溫度傳感器有靈敏度高，線性好，熱響應(yīng)快和體積小的優(yōu)點(diǎn)，尤其在數(shù)字測(cè)溫，自動(dòng)控制和微機(jī)信號(hào)處理方面有其獨(dú)特之處，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。1 .實(shí)驗(yàn)?zāi)康? . 了解PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系，測(cè)定 PN結(jié)I f Vf特性曲線。2 .測(cè)繪PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的關(guān)系曲線，確定其靈敏度及PN結(jié)材料的禁帶寬度。3 .學(xué)會(huì)用PN結(jié)測(cè)量溫度的一般方法。2 .實(shí)驗(yàn)儀器.SQ-J型PN結(jié)特性測(cè)試儀，三極管(3DG6),測(cè)溫元件，樣品支架等。三.實(shí)驗(yàn)原理1. PN結(jié)IF

3、VF特性的測(cè)量由半導(dǎo)體物理學(xué)中有關(guān) PN結(jié)的研究可以得出 PN結(jié)的正向電流IF與正向電壓VF滿足 以下關(guān)系；eVF 、，.、IF = 1s (exp-1)(1)kT式中e為電子電荷量、k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，Is為反向飽和電流，它是一個(gè)與PN結(jié)材料禁帶寬度及溫度等因素有關(guān)的系數(shù)，是不隨電壓變化的常數(shù)。由于在常溫(300K)下，kT/q=0.026,而PN結(jié)的正向壓降一般為零點(diǎn)幾伏 ，所以expV » 1,上式括號(hào)內(nèi) kT的第二項(xiàng)可以忽略不計(jì)，于是有eVFIF Is expkT這就是PN結(jié)正向電流與正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化的關(guān)系，若測(cè)得半導(dǎo)體PN結(jié)的IF VF關(guān)系值,則可利用上

4、式以求出 e/kT.在測(cè)得溫度T后，就可得到e/k常數(shù)，將電子電量代入即可求得 玻爾茲曼常數(shù)ko在實(shí)際測(cè)量中，二極管的正向IF VF關(guān)系雖能較好滿足指數(shù)關(guān)系，但求得的k值往往偏小，這是因?yàn)槎O管正向電流IF中不僅含有擴(kuò)散電流，還含有其它電流成份。如耗盡層復(fù)合電流.、表面電流等。在實(shí)驗(yàn)中，采用硅三極管來(lái)代替硅二極管，復(fù)合電流主要在基極出 現(xiàn)，三極管接成共基極線路(集電極與基極短接)，集電極電流中不包含復(fù)合電流。若選取性能良好的硅三極管，使它處于較低的正向偏置狀態(tài)，則表面電流的影響可忽略。此時(shí)集電極電流與發(fā)射極 一基極電壓滿足式，可驗(yàn)證該式，求出準(zhǔn)確的e/k常數(shù)。2. PN結(jié)正向壓降隨溫度變化靈敏

5、度S的測(cè)量由物理學(xué)知，二極管的反向飽和電流Is與絕對(duì)零度時(shí)PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂間的電勢(shì)差Vg(0)有如下關(guān)系： gr eVg(0),、I s CT exp skT式中，r是常數(shù)，C是與結(jié)面積、摻雜濃度等有關(guān)的參數(shù)，將式代式后兩邊取 對(duì)數(shù)得kCkTrVF Vg(0) (Tn)T InT V、 VNe I Fek C其中Vi Vg (-ln)Te IFkT rVniInTe式即為PN結(jié)正向壓降、正向電流和溫度間的函數(shù)關(guān)系， 它是PN結(jié)溫度傳感器工作的基本方程。若保持正向電流恒定即IF 常數(shù)，則正向壓降只隨溫度變化，顯然，式中除線性項(xiàng)Vi外還含有非線性項(xiàng) Vni ,但可以證明當(dāng)溫度變化范圍不大

6、時(shí)(對(duì)硅二極管來(lái)說(shuō)， 溫度范圍在-50C-150C) Ve引起的誤差可忽略不記。因此在恒流供電條件下，PN結(jié)的正向壓BI VF對(duì)環(huán)境溫度T的依賴關(guān)系主要取決于線性項(xiàng) V、，即PN結(jié)的正向壓降隨溫度升高而線性下降，這就是 PN結(jié)測(cè)溫的依據(jù)。但必須指出，這一結(jié)論僅適用于雜質(zhì)全部電離、本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間。若溫度過(guò)高或過(guò)低(不在上述溫度范圍)，則隨著雜質(zhì)電離因子減少或本征載流子迅速增加，VF T關(guān)系的非線性變化將更為嚴(yán)重，說(shuō)明VF T特性還與PN結(jié)的材料有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，寬帶材料（如GaAs）構(gòu)成的PN結(jié)，其高溫端線性區(qū)寬，而材料（如Insb）雜質(zhì)電離能小的 PN結(jié)，其低溫端的線性區(qū)寬，對(duì)于給定

7、的PN結(jié)，即使在雜質(zhì)導(dǎo)電和非本征激發(fā)溫度范圍內(nèi)，其線性度隨溫度的高低也有所不同，這是非線性項(xiàng)VnI引起的。由式可以看出，減小 IF ,可以改善線性度，但這不能從根本上解決問(wèn)題，目前行之有效的方法是利用對(duì)管的兩個(gè)be結(jié)（即三極管基極和集電極短路后與發(fā)射機(jī)組成一個(gè)PN結(jié)）分別在不同電流Ifi.If2下工作，得到兩者電壓差 （VFi Vf2）與溫度間的線性關(guān)系：VF1 VF2kTineI F1I F2使之與單個(gè)PN結(jié)相比線性度與精度有所提高。 便構(gòu)成集成電路傳感器。將這種電路與恒流、放大等電路集成一體,實(shí)驗(yàn)用具由樣品架和測(cè)試儀兩部分構(gòu)成,樣品架結(jié)構(gòu)如圖所示，其中A為樣品室，它是圖1樣品架結(jié)構(gòu)圖個(gè)可拆

8、卸的筒狀容器，筒蓋內(nèi)設(shè)有橡皮圈，橡皮圈與筒套上的螺絲孔相對(duì)應(yīng)，可用螺釘將其旋緊以保持密封。待測(cè)木品PN結(jié)管（將三極管3DG6的基極與集電極短接后作為正極，其發(fā)射極作為負(fù)極構(gòu)成一只二極管 ）和測(cè)溫元件（AD590）均置于銅座 B上，管腳與耐高溫導(dǎo)線相連，分 別穿過(guò)兩旁空心細(xì)管與頂端插座P1連接，加熱器H位于中心管支座底部，其發(fā)熱部位埋設(shè)在銅座B中心柱體內(nèi)，加熱電源進(jìn)線由中心管上方插孔P2引入,P2的引線與容器絕緣，容器與電源負(fù)端相通，它通過(guò)插件P1專用線與測(cè)試機(jī)接地端相連 ，將待測(cè)PN吉的溫度和電壓信號(hào)輸 入測(cè)試儀。A-樣品室B-樣品座D-待測(cè)PN結(jié)T-測(cè)溫元件P1-D、T引線座H-加熱器P2-

9、加熱電源插孔測(cè)試儀由恒流源，基準(zhǔn)電源和顯示單元等組成。恒流源有兩組，一組提供I,電流輸出在0s 1000 A范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，另一組用于加熱，控溫電流為0.1-1A,分為十檔，每檔改 變電流0.1A ?；鶞?zhǔn)電源也有兩組，一組用于補(bǔ)償 PN結(jié)在0c和室溫T時(shí)的正向壓降 V (0) 與V (T),可通過(guò)調(diào)節(jié)面板上的“ V調(diào)零”電位器實(shí)現(xiàn)V 0,若升溫時(shí)，V 0,降溫時(shí) V 0 ,則表明正向壓降隨溫度升高而下降。另一組電源用于溫標(biāo)轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)。本 實(shí)驗(yàn)采用AD590溫度傳感器測(cè)溫，AD590的輸出電壓與絕對(duì)溫度成正比(1mV/ ),其工 作溫度范圍為218.2 423.2 (即-55 C-150 C),

10、相應(yīng)輸出電壓為218.2mV 423.2mV。 在保持測(cè)量精度不變的情況下，為了簡(jiǎn)化電路，將絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)，專門設(shè)置了一組273.2mV的基準(zhǔn)電壓，對(duì)應(yīng)于-55 c-150 C的工作 溫區(qū)，輸出電壓為 55mV 150mV , 因而可采用200.0mV的312位的LED顯示器測(cè)量溫度。此外，還設(shè)有一組量程為100mV的312位的LED顯示器通過(guò)“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)換檔來(lái)分別顯示I f、Vf和 V。測(cè)量電路的框圖如下：樣品室1圖2.測(cè)量電路框圖圖中，DS為待測(cè)PN§, RS為I F的取樣電阻，開(kāi)關(guān)K用于測(cè)量選擇與極性變換，接RP端測(cè)If,P、D端測(cè)Vf,S、P端測(cè) V。五.實(shí)驗(yàn)方法

11、和內(nèi)容1 .實(shí)驗(yàn)裝置檢查與連接取掉樣品室的簡(jiǎn)套(左手扶筒蓋，右手扶筒套順時(shí)針旋轉(zhuǎn))，查待測(cè)PN結(jié)管和測(cè)溫元 件，看其是否分別位于銅座左右兩側(cè)圓孔內(nèi)， 應(yīng)注意其管腳不能與容器接觸， 放好筒蓋內(nèi)橡 皮圓圈后，應(yīng)裝上筒套。以免樣品室在冰水中降溫時(shí)冰水滲入室內(nèi)。將控溫電流開(kāi)關(guān)打在 “關(guān)”的位置，加熱指示燈不亮，此時(shí)，連好加熱電源和信號(hào)線， 應(yīng)注意這兩個(gè)連線均為多芯插頭， 連線時(shí)要對(duì)準(zhǔn)插頭與插座的定位標(biāo)記， 用手按住插頭緊線 夾部位才可插入。拆線時(shí)，應(yīng)抓住插頭的可動(dòng)外套向外直拉， 不可猛力左右轉(zhuǎn)動(dòng)或部位不對(duì)硬拉，以免拉斷引線影響實(shí)驗(yàn)。2 . Vf (0)或Vf (Tr)的測(cè)量和調(diào)零將樣品室埋入盛有冰水混

12、合體的杜瓦瓶中降溫，開(kāi)啟電源(電源開(kāi)關(guān)在機(jī)殼后面，電源插座內(nèi)裝有保險(xiǎn)絲)，預(yù)熱兩分鐘后，將“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān) K撥到I F ,旋轉(zhuǎn)“I F調(diào)節(jié)”，使If =50 A,待溫度降止0c時(shí)，將K撥到Vf ,記下Vf(0)值，再將K置于 V ,旋轉(zhuǎn)“ V 調(diào)零"，使 V =0。本實(shí)驗(yàn)的起始溫度 Ts可直接從室溫 Vr開(kāi)始，按上述步驟測(cè)量 Vf(Tr),并使 V 03 .測(cè)定 V T關(guān)系曲線不用盛有冰塊的杜瓦瓶，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，逐步提高加熱電流，改變 V,測(cè)量對(duì)應(yīng)的T,為 減小測(cè)量誤差，可使 V每變化10mV 15mV記錄一個(gè)點(diǎn)，測(cè)量一組 V.T值。整個(gè)測(cè)量過(guò)程 中應(yīng)注意，升溫速度要適當(dāng)，寧可慢一點(diǎn)也不能太快，上限溫度不宜過(guò)高，應(yīng)控制在120c左右O六.數(shù)據(jù)記錄及處理1 .在下表中記錄一組V.T測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)起始溫度 TS C,工作電流IF A,溫度為TS時(shí)的正向壓降Vf(Tr) mV序號(hào)12345678910V(mV)T (C)2.作 V-T關(guān)系曲線，求給定 PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度S (mV/C),即該曲3.估算2定PN結(jié)硅材料的禁帶寬度線的斜率。Eg(0) eVg(0)電子伏特。根據(jù)6式，略去非線性,可得Vg(0) Vf(0)&