PN结正向电压温度特性研究^.doc

PN结正向电压温度特性研究 By 金秀儒 物理三班 Pb05206218 实验题目：PN结正向电压温度特性研究 学号：pb05206218 姓名：金秀儒 5 实验目的： 了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。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。学习用PN结测温的方法。 实验仪器： 样品架、测试仪、加热器 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。 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，除线性项V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差。 按理想的线性温度影响，VF应取如下形式： 等于T1温度时的值。 实际响应对线性的理论偏差为 设T1=300°k，T=310°k，取r=3.4*，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，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。 数据处理及结论： 实验起始温度；工作电流； 起始温度TS为时的正向压降 ΔV /mV T（升温） T（降温） 升温电流 /A °C K °C K -10 24.0 297.2 23.7 296.9 0.1 -20 28.4 301.6 28.0 301.2 0.2 -30 32.8 306.0 32.5 305.7 0.2 -40 37.1 310.3 37.1 310.3 0.3 -50 41.5 314.7 41.7 314.9 0.3 -60 46.0 319.2 46.0 319.2 0.3 -70 50.4 323.6 50.7 323.9 0.3 -80 54.9 328.1 55.2 328.4 0.3 -90 59.1 332.3 59.6 332.8 0.3 -100 63.6 336.8 63.9 337.1 0.4 -110 68.1 341.3 68.6 341.8 0.4 -120 72.6 345.8 73.1 346.3 0.5 -130 77.1 350.3 77.4 350.6 0.5 -140 81.6 354.8 82.3 355.5 0.5 -150 85.9 359.1 86.8 360.0 0.5 -160 90.3 363.5 91.3 364.5 0.5 -170 94.7 367.9 95.3 368.5 0.5 -180 99.1 372.3 99.4 372.6 0.5 T -ΔV关系曲线1(升温) T -ΔV关系曲线1(升温) Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * X Parameter Value Error A 597.39275 0.75769 B -2.01418 0.00221 R SD N P -0.99999 0.22208 18 <0.0001 T -ΔV关系曲线2(降温) T -ΔV关系曲线2(降温) Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * X Parameter Value Error A 573.13916 3.16569 B -1.95301 0.00921 R SD N P -0.99986 0.96153 18 <0.0001 小结 斜率 斜率偏差 截距 截距偏差 升温曲线 -2.01418 0.00221 597.39275 0.75769 降温曲线 -1.95301 0.00921 573.13916 3.16569 数据点最好用×表示！降温的横坐标和纵坐标对吗？要做的是ΔV –T曲线，不是 T –ΔV曲线！ 1. 升温情况： 灵敏度保留三位有效数字就可以了！ 禁带宽度为 因此，相对误差为 2. 降温情况： 灵敏度 禁带宽度为 因此，相对误差为 实验小结及建议： 本实验是一个比较精确的实验，引起误差的主要因素有如下述：仪器方面，仪器显示的温度与实际温度有所偏差，而且温度变化越快，偏差越大；读数方面，由于同一个ΔV对应多个T的值，读数的标准也会影响结果； 从本次实验的结果来看，一方面，两条直线的相关系数分别为-0.99999和-0.99986，线性较好；而且升温部分线性好过降温部分，这是因为升温快慢可以控制使得比较稳定，而降温则难以控制；另一方面，相对误差分别为0.83%和2.48%，降温部分误差较大，仪器方面和读数方面的影响都可能是造成偏差的原因，而且用来计算相对误差的标准值只给出了小数点后两位，计算时对数值的约舍也会对结果造成影响；总的来说，实验结果基本让人满意，在现有实验条件下，实验比较准确。 小建议：建议在实验中，可以在升温时先升得慢点，等温度稍高时，可以加热快些，这是因为VF-T曲线的线性高温端优于低温端（对于给定的PN结，其线性度亦随温度的高低而有所不同，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。 见实验原理 ），这也是为什么实验中改用0.5A加热时线性反而好过0.4A；同理，在降温时，一开始降温较快，后来降温较慢，不应该人为施加影响，而且如果到最后温度难以到达最低点，则最低点数据不可靠，不如舍去。 分析的不错，但实验的时候也应该注意要求，不能升温过慢，升温的时间是老师们总结出来的经验结果，并且这个结果也一直都很好，作出的曲线线性也很好，因此应该注意实验上的要求，同时，报告交的也有些晚了吧，应该是周三晚上就上传好的，希望以后要注意些！总体来说，实验做的不错！ 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： 测量VF（0）或VF（TR），便于进行调零，实现∆V=0，并且能根据VF（0）或VF（TR）求得Vg（0）,进而求出Eg（0）； 测量∆V—T曲线而不是VF—T曲线，因为∆V—T曲线的斜率就是灵敏度S，而且调零后∆V=0，便于取点，便于数据处理； 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： T比ΔV变化更加灵敏，同一个ΔV从开始到结束对应T的一个区间，按∆V的变化读取T便于确定读数的标准，也可以减小误差，甚至可以说若是按自变量T取∆V，必然造成读数错误而非仅仅是误差较大。 物理三班 金秀儒 2006.11.29 PAGE VII