PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究

PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究姓名：蘭菲學(xué)號(hào)：PB07210059系別：07006實(shí)驗(yàn)題目:PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.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(cè)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(cè)PN結(jié)材料的禁帶寬度。3.學(xué)習(xí)用PN結(jié)測(cè)溫的方法。實(shí)驗(yàn)原理：理想PN結(jié)的正向電流IF和壓降VF存在如下近似關(guān)系（1）其中q為電子電荷；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；Is為反向飽和電流，它是一個(gè)和PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)的系數(shù)，可以證明（2）其中C是與結(jié)面積、摻質(zhì)濃度等有關(guān)的常數(shù)：r也是常數(shù)；Vg(0)為絕對(duì)零度時(shí)PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差。將（2）式代入（1）式，兩邊取對(duì)數(shù)可得（3）其中這就是PN結(jié)正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達(dá)式，它是PN結(jié)溫度傳感器的基本方程。令I(lǐng)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(xiàng)V1外還包含非線性項(xiàng)Vn1項(xiàng)所引起的線性誤差。設(shè)溫度由T1變?yōu)門(mén)時(shí)，正向電壓由VF1變?yōu)閂F，由（3）式可得（4）按理想的線性溫度影響，VF應(yīng)取如下形式：（5）等于T1溫度時(shí)的值。由（3）式可得（6）所以（7）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(duì)線性的理論偏差為（8）設(shè)T1=300°k，T=310°k，取r=3.4*,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(guò)當(dāng)溫度變化范圍增大時(shí)，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)的VF對(duì)T的依賴(lài)關(guān)系取決于線性項(xiàng)V1，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是PN結(jié)測(cè)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(duì)于通常的硅二極管來(lái)說(shuō)，溫度范圍約-50℃—150℃)。如果溫度低于或高于上述范圍時(shí)，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)生新的非線性，這一現(xiàn)象說(shuō)明VF—T的特性還隨PN結(jié)的材料而異，對(duì)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鏘nsb）的PN結(jié)，則低溫端的線性范圍寬，對(duì)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(xiàng)Vn1引起的，由Vn1對(duì)

的二階導(dǎo)數(shù)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。此外，由（4）式可知，減小IF，可以改善線性度，但并不能從根本上解決問(wèn)題，目前行之有效的方法大致有兩種：1、對(duì)管的兩個(gè)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(gè)PN結(jié)），分別在不同電流IF1，IF2下工作，由此獲得兩者電壓之差（VF1-VF2）與溫度成線性函數(shù)關(guān)系，即由于晶體管的參數(shù)有一定的離散性，實(shí)際與理論仍存在差距，但與單個(gè)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(lái)消除非線性誤差。由（3）式可知，非線性誤差來(lái)自Tr項(xiàng)，利用函數(shù)發(fā)生器，使IF比例于絕對(duì)溫度的r次方，則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)0.01℃。實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由樣品架和測(cè)試儀兩部分組成。樣品架的結(jié)構(gòu)如圖所示。待測(cè)PN結(jié)樣管采用3DG6晶體管的基極與集電極短接作為正級(jí)，發(fā)射極作為負(fù)極，構(gòu)成一只二極管；測(cè)溫元件型號(hào)為AD590，各接線如圖所示。加熱電源的進(jìn)線由中心管上方的插孔P2引入，P2和引線（高溫導(dǎo)線）與容器絕緣，容器為電源負(fù)端，通過(guò)插件P1的專(zhuān)用線與測(cè)試儀機(jī)殼相連接地，并將被測(cè)PN結(jié)的溫度和電壓信號(hào)輸入測(cè)試儀。測(cè)試儀由恒流源、基準(zhǔn)電源和顯示等單元組成。恒流源有兩組，其中一組提供IF，電流輸出范圍為0-1000μA連續(xù)可調(diào)，另一組用于加熱，其控溫電流為0.1-1A，分為十檔，逐檔遞增或減0.1A，基準(zhǔn)電源亦分兩組，一組用于補(bǔ)償被測(cè)PN結(jié)在0℃或室溫TR時(shí)的正向壓降VF（0）或VF（TR），可通過(guò)設(shè)置在面板上的“?V調(diào)零”電位器實(shí)現(xiàn)?V=0，并滿足此時(shí)若升溫，?V<0；若降溫，則?V>0，以表明正向壓降隨溫度升高而下降。另一組基準(zhǔn)電源用于溫標(biāo)轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)，因本實(shí)驗(yàn)采用AD590溫度傳感器測(cè)溫，其輸出電壓以1mV/°k正比于絕對(duì)溫度，它的工作溫度范圍為218.2—423.2°k（即-55—150℃），相輸出電壓為218.2—423.2mV。通過(guò)“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)?V、IF、VF實(shí)驗(yàn)儀器：FD-TTT-A溫度特性測(cè)試儀，樣品架實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢查與連接A.取下樣品室的簡(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)溫元件應(yīng)分放在銅座的左、右兩側(cè)圓孔內(nèi)，其管腳不與容器接觸，然后放好筒蓋內(nèi)的橡皮0圈，裝上筒套。0圈的作用是當(dāng)樣品室在冰水中進(jìn)行降溫時(shí)，以防止冰水滲入室內(nèi)。B.控溫電流開(kāi)關(guān)應(yīng)放在“關(guān)”位置，此時(shí)加熱指示燈不亮。接上加熱電源線和信號(hào)傳輸線。兩者連線均為直插式，在連接信號(hào)線時(shí)，應(yīng)先對(duì)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(shí)，應(yīng)拉插頭的可動(dòng)外套，決不可魯莽左右轉(zhuǎn)動(dòng)，或操作部位不對(duì)而硬拉，否則可能拉斷引線影響實(shí)驗(yàn)。（實(shí)驗(yàn)儀器線路已接好，由老師演示，無(wú)需再調(diào)）2.VF（O）或VF（TR）的測(cè)量和調(diào)零開(kāi)啟測(cè)試儀電源（電源開(kāi)關(guān)在機(jī)箱后面，電源插座內(nèi)裝保險(xiǎn)絲），預(yù)熱數(shù)分鐘后，將“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)K）撥到IF，由“IF調(diào)節(jié)”使IF=50μA，待溫度冷卻至0℃時(shí)，再將K置于?V，由“?V調(diào)零”使?V=0，再將K撥到VF，記下VF（0）值以及實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的溫度ＴＳ。實(shí)驗(yàn)測(cè)得ＴＳ=19.5℃=292.4K，VF=609mV，即VF(292.2)=6093.測(cè)定?V—T曲線(1)開(kāi)啟加熱電源（指示燈即亮，加熱開(kāi)關(guān)打到四檔），逐步提高加熱電流進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，并記錄對(duì)應(yīng)的?V和T，按?V每改變10mV立即讀取一組?V、T，這樣可以減小測(cè)量誤差，直到?V=-180mV。應(yīng)注意：在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，升溫速率要慢。且溫度不宜過(guò)高，最好控制在120℃左右。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下：升溫過(guò)程保持控溫電流為0.4A:-1024.1297.3-2028.7301.9-3033.1306.3-4037.6310.8-5042.1315.3-6046.5319.7-7051.0324.2-8055.5328.7-9059.8333.0-10064.3337.5-11068.7341.9-12073.1346.3-13077.5350.7-14081.7354.9-15086.2359.4-16090.7363.9-17095.0368.2-18099.3372.5上表中T=t+273.15,用origin對(duì)?V和T進(jìn)行擬合得下圖由線性擬合參數(shù)可知直線斜率為-2.26168，即S=-2.26168所以禁帶寬度的標(biāo)稱(chēng)值為又有相對(duì)誤差(2)關(guān)閉加熱電源，使其自然冷卻，從?V=-180mV開(kāi)始記錄對(duì)應(yīng)的?V和T，按?V每改變10mV立即讀取一組?V、T，直到?V=-10mV。數(shù)據(jù)記錄如下表：-1023.7296.9-2028.2.301.4-3032.9306.1-4037.5310.7-5042.0315.2-6046.1319.3-7050.7323.9-8055.2328.4-9059.2332.4-10063.7336.9-11068.2341.4-12072.7345.9-13077.2350.4-14081.6354.8-15086.0359.2-16090.6363.8-17095.0368.2-18099.3372.5上表中T=t+273.15,用origin對(duì)?V和T進(jìn)行擬合得下圖：由上面線性擬合可知，直線的斜率為-2.2542，即S=-2.2350，則有禁帶寬度的標(biāo)稱(chēng)值為相對(duì)誤差誤差分析：本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較精確，引起誤差的原因主要有以下幾點(diǎn)：1.儀器方面，測(cè)量?jī)x器在正常使用過(guò)程中測(cè)量環(huán)境和儀器性能隨機(jī)漲落的影響。由于實(shí)驗(yàn)儀器的老化，顯示的溫度與實(shí)際溫度有所偏差，而且溫度變化越快，偏差越大；2.在讀數(shù)時(shí)，由于同一個(gè)對(duì)應(yīng)多個(gè)T值，讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)時(shí)統(tǒng)一取剛變到一定v值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值）。3.儀器精度限制以及試驗(yàn)環(huán)境也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。注意事項(xiàng)：1.實(shí)驗(yàn)前，首先要對(duì)測(cè)試儀預(yù)熱。2.根據(jù)ΔV的變化速度，適當(dāng)?shù)倪x擇控溫電流,避免電流太小使電壓上升太慢及電流太大使儀器顯示的溫度不準(zhǔn)確。3.加熱過(guò)程中，溫度最好不要超過(guò)120oC。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中（尤其是做降溫實(shí)驗(yàn)時(shí)），切忌接觸樣品室的銅座，以免燙傷。降溫冷卻過(guò)程中，當(dāng)溫度降到40oC~50oC左右速度會(huì)減慢，此時(shí)可以取下銅套，加速其降溫速度。4.記錄數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)電壓降到某個(gè)值時(shí)溫度會(huì)有一定變化，形成一個(gè)區(qū)間，選取統(tǒng)一記錄剛降到該電壓值時(shí)的溫度，以保證結(jié)果的線性性。實(shí)驗(yàn)心得：對(duì)于給定的PN結(jié)，其線性度隨溫度高低而有所不同，這是由非線性項(xiàng)Vn1引起的，因此選擇恰當(dāng)?shù)目販仉娏骱苤匾娏魈髸?huì)使儀器顯示示數(shù)與實(shí)際溫度不符，并且會(huì)影響Vn1—T的線性度，電流太小又會(huì)使實(shí)驗(yàn)操作過(guò)于冗長(zhǎng)，因此，在本實(shí)驗(yàn)中，控溫電流的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)的精度也會(huì)帶來(lái)影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，特別是在降溫過(guò)程中，應(yīng)該讓PN結(jié)通過(guò)一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程降溫，降溫過(guò)程是個(gè)比較緩慢的過(guò)程，要獲得比較精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不應(yīng)該人為加速其降溫過(guò)程。思考題：1.測(cè)VF（0）或VF（TR）的目的何在？為什么實(shí)驗(yàn)要求測(cè)?V—T曲線而不是VF—T曲線?答：測(cè)量VF（0）是為了能根據(jù)VF（0）或VF（TR）求得Vg(0)。因?yàn)閂F與T不是線性的關(guān)系，只有VF的變化值，即?V才與T呈現(xiàn)線性的變化關(guān)系。測(cè)量過(guò)程中，為使得到的數(shù)據(jù)結(jié)果更好的呈現(xiàn)出線性性，要求VF的間隔是一致的，取ΔV可以更好的實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。所以要求測(cè)?V—T曲線而不是VF—T曲線。2.測(cè)?V—T曲線為何按?V的變化讀取T，而不