溫度對(duì)pn結(jié)正交壓降及伏安特性的影響

溫度對(duì)pn結(jié)正交壓降及伏安特性的影響

在蘭州大學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程中，我們提供了兩個(gè)關(guān)于半球形pn結(jié)性能的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。研究了pn結(jié)的正壓降隨溫度變化的關(guān)系，以及室溫內(nèi)各管內(nèi)的伏安特性。實(shí)際上PN結(jié)的伏安特性是與溫度有關(guān)的,通過(guò)溫度變化作為橋梁,可以把兩個(gè)實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容有機(jī)地融合起來(lái),使學(xué)生對(duì)PN結(jié)的溫度特性有更加全面的認(rèn)識(shí)。然而,系統(tǒng)深入地研究PN結(jié)電氣特性隨溫度變化的規(guī)律需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和苛刻的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,這對(duì)于大多數(shù)學(xué)校而言是不現(xiàn)實(shí)的。本文認(rèn)真分析了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在關(guān)系,利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法進(jìn)行改進(jìn),有效獲取了不同溫度下PN結(jié)的電壓與電流數(shù)據(jù),研究了PN結(jié)的正向壓降在不同電流條件下對(duì)溫度變化的靈敏度;PN結(jié)的正向伏安特性及其隨溫度變化的規(guī)律;PN結(jié)的反向飽和電流以及玻爾茲曼常數(shù)的測(cè)定等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富,實(shí)驗(yàn)方法新穎,不僅加深了學(xué)生對(duì)PN結(jié)的電氣特性的全面理解,還啟發(fā)了學(xué)生有層次地展開思考和探究,有利于培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真細(xì)致的操作習(xí)慣和創(chuàng)新精神。1實(shí)驗(yàn)原理1.1pn結(jié)有效測(cè)溫根據(jù)半導(dǎo)體物理的理論,理想PN結(jié)的正向電流和正向壓降關(guān)系滿足肖克萊方程:ΙF=ΙS[exp(eUFkΤ)-1](1)IF=IS[exp(eUFkT)?1](1)其中IF為通過(guò)PN結(jié)的正向電流;UF為PN結(jié)正向壓降;e為電子的電荷量;k為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度;IS為PN結(jié)反向飽和電流,它與PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度有關(guān)?？梢宰C明:ΙS=CΤrexp(-eUg0kΤ)(2)IS=CTrexp(?eUg0kT)(2)其中,C是與PN結(jié)的結(jié)面積及摻雜濃度有關(guān)的常數(shù),r在一定溫度范圍內(nèi)也是常數(shù),Ug0為絕對(duì)零度時(shí)PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂電勢(shì)差,對(duì)于給定的PN結(jié)材料,Ug0為定值。式(1)代入式(2),兩邊取對(duì)數(shù),整理得UF=Ug0-(kelnCΙF)Τ-krΤelnΤ(3)UF=Ug0?(kelnCIF)T?krTelnT(3)可以證明,忽略式中最后的非線性項(xiàng)給UF帶來(lái)的誤差很小,即:UF=Ug0-(kelnCΙF)Τ(4)UF=Ug0?(kelnCIF)T(4)在允許的溫度范圍內(nèi),在恒流供電的條件下,PN結(jié)的正向壓降可以近似地認(rèn)為隨溫度升高而線性下降,即式(4)可改寫為:UF=Ug0-sT(5)測(cè)量不同溫度下的正向壓降,即可以確定正向壓降隨溫度變化的靈敏度系數(shù)s,從而可以用PN結(jié)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的目的。同時(shí),還可以獲得PN結(jié)的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差Ug0,算出材料的禁帶寬度Eg0=eUg0。此外,改變通過(guò)PN結(jié)的恒定電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以獲得s在不同電流條件下的信息。1.2pn結(jié)的正向伏安特性根據(jù)肖克萊方程,PN結(jié)的正向電流IF與正向電壓UF滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系,且與溫度有關(guān)。由式(1)可知,PN結(jié)的正向伏安特性曲線隨溫度升高有向左移的趨勢(shì),如圖1所示。測(cè)繪PN結(jié)的正向伏安特性曲線,首先使PN結(jié)置于恒定的溫度下,改變電壓測(cè)出對(duì)應(yīng)的電流,或改變電流測(cè)出對(duì)應(yīng)的電壓,則可以得到該溫度下的伏安關(guān)系。改變溫度,重復(fù)上述步驟即可測(cè)繪出不同溫度下的伏安特性曲線。2加熱電流對(duì)伏安特性的影響TH-J型PN結(jié)正向壓降溫度特性測(cè)試儀是用于測(cè)繪恒定正向電流下PN結(jié)正向電壓降隨溫度變化特性曲線的儀器,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)把被測(cè)的PN結(jié)(常用金封三極管3DG6的發(fā)射結(jié)作為樣品)置于密閉溫室內(nèi)(如圖3所示),利用恒定電流源驅(qū)動(dòng)發(fā)熱絲使密室內(nèi)溫度緩慢上升,密室壁由一個(gè)十分厚的金屬圓筒制成,筒內(nèi)外熱傳遞十分緩慢,只要恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)加熱電流的大小,使熱傳遞處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),可以在相對(duì)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)維持密室的溫度基本不變。此時(shí),快速地改變加在PN結(jié)上的電流IF,讀出其正向電壓UF,即可獲得在此溫度下的伏安特性數(shù)據(jù)。為了使溫度更穩(wěn)定和容易控制,實(shí)驗(yàn)時(shí)先把溫度上升到比目標(biāo)溫度高5℃,然后減小加熱電流,讓溫度緩慢下降,接近目標(biāo)溫度時(shí),仔細(xì)調(diào)節(jié)加熱電流,使溫度維持穩(wěn)定,并快速記錄數(shù)據(jù)。改變溫度,重復(fù)上述操作,即可得到不同溫度下的伏安特性數(shù)據(jù)。3結(jié)果與分析3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本實(shí)驗(yàn)以金封三極管3DG6的發(fā)射結(jié)作為被測(cè)PN結(jié)樣本,測(cè)量了不同溫度下的正向電流IF和正向電壓UF的數(shù)據(jù),如表1所示。3.2溫度對(duì)社會(huì)主義曲線進(jìn)行線性擬合的結(jié)果根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪出不同電流下的正向壓降與溫度的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖可知,電流恒定時(shí)正向壓降隨溫度的上升而下降;隨著電流增加,曲線向上平移,電壓增大,但電壓的變化率沒(méi)有改變。對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合,設(shè)擬合公式為UF=-sT+U0(6)對(duì)不同電流下的正向壓降隨溫度變化的關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合的結(jié)果如表2所示。由表可知,不同電流下,正向壓降與溫度的關(guān)系均符合線性關(guān)系。線性系數(shù)s的平均值為2.16mV/℃,1/s為0.46℃/mV,此即PN結(jié)用于測(cè)溫時(shí)的靈敏度。3.3溫度變化時(shí)的曲線根據(jù)不同溫度下PN結(jié)的正向電壓與正向電流數(shù)據(jù)作出其伏安特性曲線如圖5所示。由圖可知,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映了PN結(jié)的正向伏安特性以及其隨溫度變化的趨勢(shì),具體可以得到如下結(jié)論:(1)隨著溫度的上升,PN結(jié)的伏安特性曲線向左移;(2)若正向電流不變,則正向電壓隨著溫度上升而線性下降;(3)若正向電壓不變,則正向電流隨溫度上升而急劇上升。對(duì)上述曲線進(jìn)行指數(shù)擬合,設(shè)擬合公式為:IF=aexp(bUF)(7)對(duì)不同溫度下的正向伏安特性曲線擬合的結(jié)果如表3所示。由表可知,不同溫度下正向伏安特性曲線符合指數(shù)規(guī)律變化。3.4指數(shù)與其他指標(biāo)的擬合由上所述,對(duì)于一個(gè)理想的PN結(jié),正向電流與電壓之間滿足肖克萊方程ΙF=ΙS[exp(eUFkΤ)-1](8)IF=IS[exp(eUFkT)?1](8)由于exp(eUFkΤ)>>1(9)所以,式(8)可以表示為ΙF=ΙSexp(eUFkΤ)(10)式中,若e、k、T不變,則IF與UF滿足指數(shù)關(guān)系。比較擬合曲線IF=aexp(bUF)與式(10),則有:a=IS(11)b=ekΤ(12)k=ebΤ(13)根據(jù)不同溫度下擬合的曲線算出的玻爾茲曼常數(shù)和反向飽和電流如表4所示。由表可知,不同溫度下反向飽和電流隨溫度的升高而增大;不同溫度下玻爾茲曼常數(shù)基本一致,但與理論值相差較大,根據(jù)誤差性質(zhì)的分析可以斷定實(shí)驗(yàn)存在一定的系統(tǒng)誤差,考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度測(cè)控的誤差因素最大,為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度,在室溫下測(cè)量了一組數(shù)據(jù)如表5所示。指數(shù)擬合的結(jié)果如圖6所示。因此:IS=2×10-8(μA)=2×10-14(A)(14)k=1.602×10-220.039×(273.2+24.9)=1.378×10-23(J/K)(15)與理論值k=1.381×10-23(J/K)的相對(duì)誤差僅為0.2%。5pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的規(guī)律實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格討論P(yáng)N結(jié)的電氣特性,要考慮的因素很多,精確測(cè)量所需的設(shè)備也十分昂貴。但作為定性認(rèn)識(shí)和驗(yàn)證,在一定的誤差范圍內(nèi),使用已有的儀器設(shè)備,進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)