PN結(jié)正向壓降與溫度(完結(jié)版)

1、PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究和應(yīng)用（實(shí)驗(yàn)報告）姓名張艷平學(xué)號0815222037PN 結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究和應(yīng)用、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)系式。2.在恒流供電條件下，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和被測 PN 結(jié)材料的禁帶寬度。3.學(xué)習(xí)用 PN 結(jié)測溫的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理理想 PN 結(jié)的正向電流|F和壓降VF存在如下近似關(guān)系式IFISexp(qVF/kT)其中 q 為電子電荷；K 為玻爾茲曼常數(shù)；T 為絕對溫度；| |S為反向飽和電流，它是一個和 PN 吉材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)的系數(shù),可以證明：其中 C 是與結(jié)面積、摻雜濃度

2、等有關(guān)的常數(shù)；r 也是常數(shù) V Vg（0 0）為絕對零度時 PN 吉材料的導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)碾妱莶顚ⅲ?）式代入（1）式，兩邊取對數(shù)可得IsCTrexp(qVg(0)/kT)VFVg(0)(klnF)T紅lnTrqFq=VIVn1kckT其中VIVg(0)(ln)T,VmlnTqFq按理想的線性溫度響應(yīng)，VF應(yīng)取如下形式由（3）式可得：Vg(0)VFITi所以V理想VFIVg(0)VFITikr(TqTi)Vg(0)Vg(0)VFIT3(TTiqTi)由理想線性溫度響應(yīng)（7）式和實(shí)際響應(yīng)（4）式相比較,可得實(shí)際響應(yīng)對線性的理論偏差為kV理想VF-r(TiT)qS/T、rln(-)qTi(8)設(shè)

3、Tl=30OKT=3iOK 取 r=3.43.4，由（8）式可得=0.048mV;而相應(yīng)的VF的改變量約 20mV,相比之下誤差甚小。不過當(dāng)溫度變化范圍增大時，VF溫度響應(yīng)的非線性誤差將有所遞增，這主要由于 r 因子所致。綜上所述，在恒流供電條件下，PN 結(jié)白VV 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)。必須指出，上述結(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（對于通常的硅二極管來說，溫度范圍約 5050C Ci50i500C C）。如果溫度低于或高于上述范圍時，由于雜質(zhì)電離因子減小或本征載流子迅速增加,VF-T關(guān)系將產(chǎn)生新

4、的非線性，這一現(xiàn)象說明的VF-T特性還隨 PN 結(jié)的材料而異，對于寬帶材料（如 GaAs）的 PN 結(jié)，其高溫端的線性區(qū)則寬；而材料雜質(zhì)電離能?。ㄈ?Insb）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(dǎo)電和非本征激發(fā)溫度范圍內(nèi),其線性度亦隨溫度的高低而有所不同，這是非線性項 v vni引起的，由 V Vni對 T 的二階導(dǎo)數(shù)-VJdTdT可知蛆dT的變化與T 成反比，所以VF-T的線性度在高溫端優(yōu)于低溫端，這是 PN 結(jié)溫度傳感器的普遍規(guī)律。止匕外，由（4）式可知,減小| |F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:i.利用對管的兩個 be

5、 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IFi,IF2下工作，由此獲得兩方程（3）就是 PN 結(jié)正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達(dá)式,它是 P 埠溫度傳感器的基本方程。令|F=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 Y 外還包含非線性項VIO 下面來分析一下%項所引起的線性誤差。設(shè)溫度由T變?yōu)?T 時，正向電壓由VM變?yōu)镹F，由（3）式可得:VFTkTTrVg(0)Vg(0)VFI-ln(-)rTiTi(4)丫理想VFi(TTi)VFI(5)等于工溫度時的一 V VF 值(6)者之差(V(VF1V VF2) )與溫度成線性函數(shù)關(guān)系，即kT

6、IF1VFIVF2In-q1F2由于晶體管的參數(shù)有一定的離散性，實(shí)際與理論仍存在差距，但與單個 FN 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)成集成電路溫度傳感器。2.OkiraOhte 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，非線性誤差來自Tr項，利用函數(shù)發(fā)生器，IF比例于絕對溫度的 r 次方，則 V VF-T 的線性理論誤差為0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值頗為一致，其精度可達(dá)0.010C。三、實(shí)驗(yàn)方法和內(nèi)容1 .實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢查與連接A.取下樣品室的筒套(左手扶筒蓋，右手扶筒套逆時針旋轉(zhuǎn))待測PN結(jié)管和測溫元件應(yīng)分放在銅座的左、右兩側(cè)圓孔內(nèi)，其管

7、腳不與容器接觸，然后放好筒蓋內(nèi)的橡皮0圈，裝上筒套。CH的作用是當(dāng)樣品室在冰水中進(jìn)行降溫時，以防止冰水滲入室內(nèi)。B.控溫電流開關(guān)置“關(guān)”位置，此時加熱指示燈不亮。接上加熱電源線和信號傳輸線.兩者連線均為直插式，在連接信號線時，應(yīng)先對準(zhǔn)插頭與插座的凹凸定位標(biāo)記，再按插頭的緊線夾部位，即可插入。而拆除時，應(yīng)拉插頭的可動外套，決不可魯莽左右轉(zhuǎn)動，或操作部位不對而硬拉，否則可能拉斷引線影響實(shí)驗(yàn)。2 .VF(或)VF(TR)的測量和調(diào)零將祥品室埋入盛有冰水(少量水)的杜瓦瓶中降溫，開啟測試儀電源(電源開關(guān)在機(jī)箱后面，電源插座內(nèi)裝保險絲),預(yù)熱數(shù)分鐘后，將“測量選擇”開關(guān)(以下簡稱K)撥到IF,由“IF調(diào)

8、節(jié)”使 I IF50uA50uA 待溫度冷卻至 0 00C C 時，將K撥到 V VF(0)(0), ,記下 V VF(0)(0)值，再將K置于 V,V,由“V調(diào)零”使V=O。本實(shí)驗(yàn)的起始溫度TS亦可直接從室溫 T TR開始，按上述步驟，測量 V VF(T(TR) )并使V=O。3 .測定VT曲線取走冰瓶，開啟加熱電源(指示燈即亮)，逐步提高加熱電流進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，并記錄對應(yīng)的V和T，至于VT的數(shù)據(jù)測量，可按V每改變10或15mV立即讀取一組V、T,這樣可以減小測量誤差。應(yīng)該注意：在整個實(shí)驗(yàn)過程中，升溫速率要慢。且溫度不宜過高，最好控制在1200C C 左右。4 .求被測PN結(jié)正向壓降隨溫度變化

9、的靈敏度S(mFC)C)。作 V V-T曲線，其斜率就是S。5.估算被測PN結(jié)材料硅的禁帶寬度Eg(。=qVg(0)電子伏。根據(jù)(6)式，略去非線性項，可得Vg(0)VF(0)呈TVF(0)S?T_0.,-,T273.2KT273.2K 即攝氏溫標(biāo)與開爾文溫標(biāo)之差。將實(shí)驗(yàn)所得的Eg(0)與公認(rèn)值Eg(0)=1.21電子伏比較，求其誤差。6.數(shù)據(jù)記錄及處理VF(0)=574mV表 1 測定 V(mVT(0C C)V-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-110-120-130T24.428.933.538.042.547.351.856.360.965.469.974.9

10、79.1908070)60C50T401302010013-V-T 圖_-T|1I1i1lirl11201101p0_9Vf-60-50-30-20-10-V(mV實(shí)驗(yàn)起始溫度 Ts=18.90C C。工作電流50uAo起始溫度為 Ts 時的正向壓降VF(Ts)=574mV。斜率即是靈敏度 S=(-10+130)/(24.4-79.1)=-2.19C/mVP 陰材料禁帶寬度 Eg(0)=q*Vq(0)eVVg(0)=VF(0)+S*AT則，Eg(0)=q*VF(0)+S*AT=1.6*1019*0.574+(-2.19)*(-273.2)*0.001=1.173Ev實(shí)驗(yàn)值 Eg(0)=1.17

11、3eV公認(rèn)值 Eg(0)=1.21Ev誤差”=|1.173-1.21|/1.21*100%=3.05%四、預(yù)習(xí)思考題1 .測VF(0)或VF(TR)目的何在？為什么實(shí)驗(yàn)要求測曲線 VT 而不是VF-T曲線。答;測量VF(0)是為了計算后面的禁帶寬度 Eg(0).Vg(0)=VF(0)+S*T 計算實(shí)驗(yàn)值 Vg(0)需要靈敏度 S根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，VFT 線應(yīng)是不通過原點(diǎn)的,而 AVT 曲線則為通過原點(diǎn)的近似直線.為便于提高測量精度，本實(shí)驗(yàn)要求V 讀取 T。2 .測 VT 為何按 V 的變化讀取 T,而不是按自變量 T 讀取 V。思考題：1、簡要說明本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論以及您的實(shí)驗(yàn)心得。結(jié)論：1 .根據(jù) PN 結(jié)溫度傳感器的基本方程，當(dāng)正向電流為常數(shù)時，正向壓降只隨溫度變化。2 .在恒流供電條件下，PN 結(jié)的 VF 對 T 的依賴關(guān)系取決于