PN结的伏安特性与温度特性测量.pdfVIP

PN 结正向压降与温度特性的研究 【实验目的】 1. 研究pn 结正向压降与温度之间的关系。 2. 提出利用pn 结的这个特性设计温度传感器的方案。 【实验仪器】 1. pn 结物理特性实验仪。 2. 保温杯。 3. 开水、冰块等。 【实验原理】 1.理想的pn结正向电流IF 和压降VF 存在如下近似关系 式中，q 为电子电量，K=1.38×10－23J•K-1为玻尔兹曼常数，T 为热 力学温度，Im 为反向饱和电流，它的大小 其中C 是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数；γ 是热学中的比热比，也是一个 常数；Vg (0)是热力学温度T=0 时，PN 结材料的能带结构中，它的导带底、价带顶之间的电 势差—8212 —半导体材料的能带理论中，把有电子存在的能量区域称作价带，空着的能量 区域叫导带，而电子不能存在的能量区域叫禁带。 将式(2)带入式(1)，两边取对数可得 （3 ） 其中， 。式(3)是PN 结温度传 1 感器的基本方程。当正向电流IF为常数时，V1 是线性项，Vn1 是非线性项，这时正向压降 只随温度的变化而变化，但其中的非线性项Vn1引起的非线性误差很小(在室温下，γ=1.4 时 求得的实际响应对线性的理论偏差仅为0.048mV)。因此，在恒流供电情况下，PN 结的正向 压降VF 对温度T 的依赖关系只取决于线性项V1，即在恒流供电情况下，正向压降VF 随温度 T 的升高而线性地下降，这就是PN 结测温的依据。我们正是利用这种线性关系来进行实验 测量。 必须指出，上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温 度区间，对最常用的硅二极管，温度范围约为-50℃—50℃，若温度超出此范围，由于杂质 电离因子减小或本征激发的载流子迅速增加，VF —T 的关系将产生新的非线性。更为重要 的是，对于给定的PN 结，即使在杂质导电和非本征激发的范围内，其线性度也会随温度的 高低有所不同，非线性项Vn1 随温度变化特征决定了VF —T 的线性度，使得VF —T 的线性 度在高温段优于低温段，这是PN 结温度传感器的普遍规律。同时从式(1)、(2)、(3)可以看 出，对给定的PN 结，正向电流IF 越小非线性项越小，这说明减小IF ，可以改善线性度。 U 2、PN结的结电压 与热力学温度T关系测量。 be R1 R V T 3V 1 R2 R4 V 2 R V 2 实验线路 测温电路 通过调节实验电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流I ＝100μA。同时用电 桥测量铂电阻 的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表，可得恒温器的实际湿度。从室 R T U  U −T 温开始每隔5℃－10℃测一定 值（即V ）与温度 （℃）关系，求得 关系。