大学物理实验PN结正向压降温度特性的研究实验报告

实 验 报 告 实验题目: PN结正向压降温度特性的研究实验目的:

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。

实验原理:

理想PN结的正向电流IS和压降VF存在如下近似关系

IF?ISexp(qVF) （1） kT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

IS?CTrexp[?qVg(0)kT] （2）

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

?kcVF?Vg(0)??In?qIF?其中

?kTr?T?InT?V1?Vn1 （3） ?q??kcV1?Vg(0)???qInIF?

KTVn1??InTrq???T???

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

VF?Vg(0)?Vg(0)?VF1??TkT?T???Ln??? （4） T1qT?1?r按理想的线性温度影响，VF应取如下形式：

?VF1VF理想?VF1?(T?T1) （5）

?T?V?VF1等于T1温度时的F值。

?T?T由（3）式可得

Vg(0)?VF1k?VF1???r （6） ?TT1q所以

V理想?Vg?VF1k?Tk?VF1????r??T?T1??Vg(0)?Vg(0)?VF1??T?T1?rT1q?T1q??? （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

kkTT??V理想?VF??r?T?T1??Ln()r （8）

qqT1设T1?300K，T?310K，取r?3.4,由（8）式可得??0.048mV，而相应

VF温的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，

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

d2Vn11dVn1?可知的变化与T成反比，所以VF?T的线性度在高T的二阶导数2TdTdT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

VF1?VF2?kTIF1In qIF2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℃。

实验装置:

实验系统由样品架和测试仪两部分组成。样品架的结构如图所示，其中A为样品室，是一个可卸的筒状金属容器，筒盖内设橡皮0圈盖与筒套具相应的螺纹可使用两者旋紧保持密封，待测PN结样管（采用3DG6晶体管的基极与集电极短接作为正级，发射极作为负极，构成一只二极管）和测温元件（AD590）均置于铜座B上，其管脚通过高温导线分别穿过两旁空芯细管与顶部插座P1连接。加热器H装在中心管的支座下，其发热部位埋在铜座B的中心柱体内，加热电源的进线由中心管上方的插孔P2引入，P2和引线（高温导线）与容器绝缘，容器为电源负端，通过插件P1的专用线与测试仪

机壳相连接地，并将被测PN结的温度和电压信号输入测试仪。测试仪由恒流源、基准电源和显示等单元组成。恒流源有两组，其中一组提供IF，电流输出范围为0-1000μA连续可调，另一组用于加热，其控温电流为0.1-1A，分为十档，逐档递增或减0.1A，基准电源亦分两组，一组用于补偿被测PN结在0℃或室温TR时的正向压降VF（0）或VF（TR），可通过设置在面板上的“?V调零”电位器实现?V=0，并满足此时若升温，?V<0；若降温，则?V>0，以表明正向压降随温度升高而下降。另一组基准电源用于温标转换和校准，因本实验采用AD590

温度传感器测温，其输出电压以1mV/°k正比于绝对温度，它的工作温度范围为218.2—423.2°k（即-55—150℃），相输出电压为218.2—423.2mV。要求配置412位的LED显示器，为了简化电路而又保持测量精度，设置了一组273.2mV（相当于AD590在0℃时的输出电压）的基准电压，其目的是将上述的绝对温标转换成摄氏温标。则对应于-55—150℃的工作温区内，输给显示单元的电压为-55—150mV。便可采用量程为±200.0mV的31/2位LED显示器进行温度测量。另一组量程为±1000mV的31/2位LED显示器用于测量IF，VF和?V，可通过“测量选择”开关来实现。 测量的框图如下所示

DS为待测PN结：RS为IF的取样电阻；开关k起测量选择与极性变换作用，其中R、P测IF；P、D测VF；S、P测?V。

实验方法与内容:

1.VF的测量和调零

开启测试仪电源，预热数分钟后，将“测量选择”开关（以下简称K）拨到

IF，由“IF调节”使IF?50?A，待温度稳定，将K拨到VF，记下VF起始值，

再将K置于?V，由“?V调零”使?V?0。