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PN结正向压降与温度关系的研究实验报告
班级：材物41 姓名：禇雨婷 学号：2140906001
一、 实验目的
（1）了解PN结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN结IF?VF特性曲线及玻尔兹曼常数；
（2）测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度；
（3）学会用PN结测量温度的一般方法。 二、实验仪器
SQ-J型PN结特性测试仪，三极管（3DG6），测温元件，样品支架等。 三 、实验原理
1．PN结IF?VF特性及玻尔兹曼常数k的测量：
由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN结的正向电流IF与正向电压
VF满足以下关系
IF=Is（exp
eVF-1） ⑴ kTIs式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，为反向饱和电流，
它是一个与PN结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。由于在常温（300K）下，kT/q=0.026,而PN结的正向压降一般为零点几伏,所以exp
eVF》,1上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有 kT
IF?IsexpeVFkT ⑵
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这就是PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN结的
IF?VF关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T后,就可得到e/k常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中，二极管的正向IF?VF关系虽能较好满足指数关系，但求得的k值往往偏小，这是因为二极管正向电流IF中不仅含有扩散电流，还含有其它电流成份。如耗尽层复合电流.、表面电流等。在实验中,采用硅三极管来代替硅二极管，复合电流主要在基极出现，三极管接成共基极线路（集电极与基极短接），集电极电流中不包含复合电流。若选取性能良好的硅三极管，使它处于较低的正向偏置状态，则表面电流的影响可忽略。此时集电极电流与发射极—基极电压满足⑵式，可验证该式，求出准确的e/k常数。
2．PN结材料禁带宽度的测量：
由物理学知，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差
Vg(0)有如下关系
?eVg(0)?Is?CTrexp??? ⑶
kT??
⑶式中，r是常数，C是与结面积、掺杂浓度等有关的参数，将⑶式代⑴式后两边取对数得
kCkTVF?Vg(0)?(ln)T?lnTr?VI?VnIeIFekC其中 VI?Vg?(ln)TeIF ⑷
VnI??kTInTr e.'
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⑷式即为PN结正向压降、正向电流和温度间的函数关系，它是PN结温度传感器工作的基本方程。若保持正向电流恒定即IF?常数，则正向压降只随温度变化，显然，⑷式中除线性项VI外还含有非线性项
VnI，但可以证明当温度变化范围不大
VnI时（对硅二极管来说，温度范围在-50℃-150℃）引起的误差可忽略不记。因此
在恒流供电条件下，PN结的正向压降VF对环境温度T的依赖关系主要取决于线性项VI，即PN结的正向压降随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。但必须指出，这一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。若温度过高或过低（不在上述温度范围），则随着杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，VF?T关系的非线性变化将更为严重，说明VF?T特性还与PN结的材料有关。实验证明，宽带材料（如GaAs）构成的PN结，其高温端线性区宽，而材料（如Insb）杂质电离能小的PN结，其低温端的线性区宽，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，其线性度随温度的高低也有所不同，这是非线性项
VnI引起的。由⑷式可以看出，减小IF，可以改善线性度，但这不能从根
本上解决问题，目前行之有效的方法是利用对管的两个be结（即三极管基极和集电极短路后与发射机组成一个PN结）分别在不同电流压差(VF1?VF2)与温度间的线性关系：
IF1.IF2下工作，得到两者电
VF1?VF2?kTIF1IneIF2
使之与单个PN结相比线性度与精度有所提高。将这种电路与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成电路传感器。
根据⑷式，略去非线性，可得
Vg = VF(0)+VF(0)ΔT/T=VF(273.2)+S·ΔT (5)
ΔT=-273.2oK为摄氏温标与开尔文温标之差，S为正向压降随温度变化灵敏度。
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PN结正向压降与温度关系的研究实验报告
