10PN结正向压降温度特性的研究.doc

实验报告：PN结正向压降温度特性的研究 张贺 PB07210001 一、实验题目： PN结正向压降温度特性的研究 二、实验目的： 1 了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。 2 在恒流供电条件下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度。 3 学习用PN结测温的方法。 三、实验仪器: 样品架和测试仪。 四、实验原理： 理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系 （1） 其中q为电子电荷；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；Is为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明 （2） （注：（1），（2）式推导参考 刘恩科 半导体物理学第六章第二节） 其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r也是常数；Vg(0)为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。 将（2）式代入（1）式，两边取对数可得 （3） 其中 这就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN结温度传感器的基本方程。令IF=常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差。 设温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF，由（3）式可得 （4） 按理想的线性温度影响，VF应取如下形式： （5） 等于T1温度时的值。 由（3）式可得 （6） 所以 （7） 由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为 （8） 设T1=300°k，T=310°k，取r=3.4*,由（8）式可得∆=0.048mV，而相应的VF的改变量约20mV，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时，VF温度响应的非线性误差将有所递增，这主要由于r因子所致。 综上所述，在恒流供电条件下，PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。必须指出，上述结论仅适用于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间(对于通常的硅二极管来说，温度范围约-50℃—150℃)。如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加；VF—T关系将产生新的非线性，这一现象说明VF—T的特性还随PN结的材料而异，对于宽带材料（如GaAs）的PN结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小（如Insb）的PN结，则低温端的线性范围宽，对于给定的PN结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性项Vn1引起的，由Vn1对T的二阶导数的变化与T成反比，所以VF-T的线性度在高温端优于低温端，这是PN结温度传感器的普遍规律。此外，由（4）式可知，减小IF，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法大致有两种： 1 对管的两个be结（将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN 结），分别在不同电流IF1，IF2下工作，由此获得两者电压之差（VF1- VF2）与温度成线性函数关系，即 由于晶体管的参数有一定的离散性，实际与理论仍存在差距，但与单个PN结相比其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成电路温度传感器。 2 Okira Ohte等人提出的采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知， 非线性误差来自Tr项，利用函数发生器，使IF比例于绝对温度的r次方，则VF—T的线性理论误差为∆=0，实验结果与理论值颇为一致，其精度可达0.01℃。 五、实验内容： 1 开启测试仪电源，预热数分钟后，将“测量选择”开关K拨到IF，由“IF调节”使IF=50μA，由“∆V调零”使∆V=0,将K拨到VF，记下VF（0）值和起始温度T。 2 开启加热电源，逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆V和T，按∆V每改变10 mV读取一组∆V、T。 3 ∆V到-180mV后，开始降温，仍是按∆V每改变10 mV读取一组∆V、T。 4 整理实验仪器，处理数据。 六、数据处理： 1 初始情况： 2作ΔV-T曲线，求PN结正向压降随温度变化的灵敏度S： （1）升温时： -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 24.1 29.1 34.1 38.9 43.7 48.5 53.4 58.2 62.9 -100 -110 -120 -130 -140 -150 -160 -170 -180 67.5 72.3 77.0 81.9 86.8 91.5 96.2 100.9 105.6 用Origin作图如下： ΔV-T曲线 其中： Value Standard Error Intercept 41.18692 0.22131 Slope -2.09054 0.00317 故： 截距 （2）降温时： -180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 105.0 100.1 95.3 90.4 85.6 80.8 75.9 71.1 66.3 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 61.4 56.6 51.8 47.0 42.4 37.7 33.0 28.2 23.4 用Origin作图如下： ΔV-T曲线 其中： Value Standard Error Intercept 38.37469 0.20845 Slope -2.08398 0.00304 故： 截距 （3）综上， 所以所求的PN结正向压降温度的灵敏度 3 求被测PN结材料硅的禁带宽度Eg(0): 理论值 （1）升温： 相对误差 （2）降温： 相对误差 （3）综上： 相对误差 七、误差分析： 1 测量仪器在正常使用过程中测量环境和仪器性能随机涨落的影响。 2 本实验中最大的误差是测温元件的温度与PN结实际温度之间的误差，这也是影响结果的线性性的主要原因。 八、注意事项： 1 实验前，首先要对测试仪预热。 2 根据ΔV的变化速度，适当的选择控温电流，保证升温与降温时间在20分钟左右，而不是一味的求快。 3 加热过程中，温度最好不要超过120ºC。 4 实验过程中（尤其是做降温实验时），切忌接触样品室中的铜座，以免烫伤。 5 记录数据时，要求ΔV进入所需数据时，马上记录温度，以保证结果的线性性。 九、思考题： 1 测VF（0）或VF（TR）的目的何在？为什么实验要求测∆V—T曲线而不是VF—T曲线。 答： （1）用来计算禁带宽度。 （2）这是因为，在研究PN结正向压降随温度变化的灵敏度S时，测量ΔV与测量VF得到的结果是等价的，而禁带宽度也可以通过与ΔV（0）计算出来；测量过程中，为使得到的数据结果更好的呈现出线性性，要求VF的间隔是一致的，而取ΔV可以更好的保证这一点。 2 测∆V—T曲线为何按∆V的变化读取T，而不是按自变量T取∆V。 答： （1）由于实验中所测得的T与PN结的实际温度之间存在差值，按照ΔV的变化读取T可以减少这种差值引起的误差。 （2）做实验的过程中可以看出来，T的数值的变化速度比ΔV的大得多，因此若按自变量T取ΔV，因此会出现ΔV取相同值时T已经变化了很多的情况，这样的得到的结果缺乏线性性，有很大的误差。 综上所述，测ΔV-T曲线会按ΔV的变化读取T，而不是按自变量T取ΔV。