PN结正向压降与温度关系的研究

实验12PN结正向压降与温度关系的研究随着半导体工艺水平的不断提高和发展,半导体PN结正向压降随温度升高而降低的特性使PN结作为测温元件成为可能,过去由于PN结的参数不稳,它的应用受到了极大限制,进入二十世纪七十年代以来,微电子技术的发展日趋成熟和完善,PN结作为测温元件受到了广泛的关注。温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温系数传感器的阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN结属于负温度系数的传感器。这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如铂电阻虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。相比之下，PN结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而获得了广泛的应用。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FFVI特性曲线。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FFVI特性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FI与正向电压FV满足以下关系；FI=sI（expkTeVF-1）⑴式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，sI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expkTeVF》1,上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有kTeVIsIFFexp⑵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FFVI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FFVI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FI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结正向压降随温度变化灵敏度S的测量由物理学知，二极管的反向饱和电流SI与绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差)0(gV有如下关系：kTeVCTIgrs)0(exp⑶⑶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rFgFTekTTICekVVln)ln()0(nIIVV⑷其中TICekVVFgI)ln(rnIInTekTV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FI常数，则正向压降只随温度变化，显然，⑷式中除线性项IV外还含有非线性项nIV，但可以证明当温度变化范围不大时（对硅二极管来说，温度范围在-50℃-150℃）nIV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FV对环境温度T的依赖关系主要取决于线性项IV，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，TVF关系的非线性变化将更为严重，说明TVF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nIV引起的。由⑷式可以看出，减小FI，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2.1FFII下工作，得到两者电压差)(21FFVV与温度间的线性关系：2121FFFFIIInekTVV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。四.实验装置实验用具由样品架和测试仪两部分构成,样品架结构如图所示,其中A为样品室,它是一个可拆卸的筒状容器,筒盖内设有橡皮圈,橡皮圈与筒套上的螺丝孔相对应,可用螺钉将其旋紧以保持密封。待测样品PN结管(将三极管3DG6的基极与集电极短接后作为正极,其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,管脚与耐高温导线相连,分别穿过两旁空心细管与顶端插座P1连接,加热器H位于中心管支座底部,其发热部位埋设在铜座B中心柱体内,加热电源进线由中心管上方插孔P2引入,P2的引线与容器绝缘,容器与电源负端相通,它通过插件P1专用线与测试机接地端相连,将待测PN结的温度和电压信号输入测试仪。P1A-样品室B-样品座P2D-待测PN结T-测温元件P1-D、T引线座H-加热器P2-加热电源插孔图1样品架结构图AHHDTBH测试仪由恒流源，基准电源和显示单元等组成。恒流源有两组，一组提供I，电流输出在0∽1000A范围内连续可调，另一组用于加热，控温电流为0.1-1A,分为十档,每档改变电流0.1A。基准电源也有两组，一组用于补偿PN结在0℃和室温T时的正向压降V（0）与V（T），可通过调节面板上的“V调零”电位器实现0V，若升温时，V0，降温时0V，则表明正向压降随温度升高而下降。另一组电源用于温标转换和校准。本实验采用AD590温度传感器测温，AD590的输出电压与绝对温度成正比（/1mV），其工作温度范围为2.4232.218（即-55℃-150℃），相应输出电压为mVmV2.4232.218。在保持测量精度不变的情况下，为了简化电路，将绝对温标转换成摄氏温标，专门设置了一组mV2.273的基准电压，对应于-55℃-150℃的工作温区，输出电压为mVmV15055，因而可采用mV0.200的213位的LED显示器测量温度。此外，还设有一组量程为mV100的213位的LED显示器通过“测量选择”开关换档来分别显示FFVI、和V。测量电路的框图如下：样品室K图2.测量电路框图图中,SD为待测PN结,IRS为F的取样电阻,开关K用于测量选择与极性变换,接R、P端测FI,P、D端测FV,S、P端测V。五．实验方法和内容1．实验装置检查与连接①取掉样品室的简套（左手扶筒盖，右手扶筒套顺时针旋转），查待测PN结管和测温元件，看其是否分别位于铜座左右两侧圆孔内，应注意其管脚不能与容器接触，放好筒盖内橡皮圆圈后，应装上筒套。以免样品室在冰水中降温时冰水渗入室内。②将控温电流开关打在“关”的位置，加热指示灯不亮，此时，连好加热电源和信号线，应注意这两个连线均为多芯插头，连线时要对准插头与插座的定位标记，用手按住插头紧线夹部位才可插入。拆线时，应抓住插头的可动外套向外直拉，不可猛力左右转动或部位不对测温元件温标转换温度显示恒温源2加热器恒流源1基准电源PRDSSD测温元件加热器显示、、VVIFFVVIFF、、硬拉，以免拉断引线影响实验。2．)0(FV或)(RFTV的测量和调零将样品室埋入盛有冰水混合体的杜瓦瓶中降温，开启电源（电源开关在机壳后面，电源插座内装有保险丝），预热两分钟后，将“测量选择”开关K拨到FI，旋转“FI调节”，使FI=50A，待温度降止0℃时，将K拨到FV，记下)0(FV值，再将K置于V，旋转“V调零”，使V=0。本实验的起始温度sT可直接从室温RV开始，按上述步骤测量)(RFTV，并使0V3.测定TV关系曲线不用盛有冰块的杜瓦瓶,打开电源开关,逐步提高加热电流,改变V,测量对应的T,为减小测量误差,可使V每变化10mV或15mV记录一个点,测量一组TV.值。整个测量过程中应注意，升温速度要适当，宁可慢一点也不能太快，上限温度不宜过高，应控制在120℃左右。六．数据记录及处理1．在下表中记录一组TV.测量数据。实验起始温度ST℃，工作电流FIA，温度为ST时的正向压降)(RFTVmV。序号12345678910)(mVVT（℃）2.作V-T关系曲线，求给定PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV/℃），即该曲线的斜率。3.估算给定PN结硅材料的禁带宽度)0()0(ggeVE电子伏特。根据6式，略去非线性，可得TSVTTVVVFFFg.)2.273()0()0()0(2.273TºK为摄氏温标与凯尔文温标之差，将测得的)0(gE与公认值21.1)0(gE电子伏比较，求其误差。七．思考题1．是否可直接测量PN结二极管的电流—电压关系来验证⑵式？为什么？2．实验中为何要求测TVF曲线而不是TVF曲线？测)0(FV和)(RFTV的目的何在？3．测TV曲线为什么按V的变化读取T值，而不是按自变量T取V？