實(shí)驗(yàn)12PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

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)&

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