PN结正向压降与温度关系的研究

PN结正向压降与温度关系的研究一、实验简介：众所周知，常用于温度的传感器有热电偶，测度电阻器和热敏电阻，红外测温仪等。其中，PN结温度传感器具有灵敏度高，线性好，响应快易于集成化等，其他传感器无法比拟的优点，工作温度范围一般在－50℃～150℃灵敏度可达100MV/℃。而本实验PN结只有2.2MV/℃左右。二、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结测温度的方法。三、实验原理：人们将高价元素（例如：P）掺杂到硅材料中，由于磷元素多电子，使材料主要以电子导电称P型半导体，将三价的硼元素掺杂到硅材料中使材料中出现大量空穴称N型半导体材料。将P型材料同N型材料粘合在一起由于电子和空穴的扩散复合形成PN结。理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系式。其中q为电子电荷；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；IS为反])0(exp[kTqVCTIgrs(2))exp(kTqVIIFsF(1)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。其中C是与结面积、掺杂浓度等有关的常数；r也是常数（见附录）；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，两边取对数可得其中，)(ln1rnTqkTV方程（3）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。其中：Vg（0）――绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。q――电子的电荷。K――玻尔兹曼常数。T――绝对温度。If――PN结中正向电流。――常数。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。下面来分析一下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11ln)ln()0(nrFgFVVTqkTTIcqkVVTIcqkVVFg)ln()0(1(3)1111])0([TTrqkTVVVVFgF理想按理想的线性温度响应，VF应取如下形式等于T1温度时的值。由（3）式可得所以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设T1＝300K，T＝310K，取r＝3.4＊，由（8）式可得Δ＝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GaΑs）的其PN结，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rqkTV(0)VTV1F1gF1TVF1TVFrFggFTTqkTTTVVVV)ln(])0([)0(111111TTTVVVFF理想)(])0([)0(111TTrqkTTVVVFggrFTTqkTTTrqkVV11ln)(理想(4)(5)(6)(7)(8)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的二阶导数可知的变化与T成反比，所以VF－T的线性度在高温优于低温端，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．利用对管的两个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。2．OkiraOhte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，IF比例于绝对温度的r次方，则VF－T的线性理论误差为Δ＝0。实验结果与理论值颇为一致，其精度可达0.01℃。四、实验装置：实验系统由样品架和测试仪两部分组成。五、实验方法和内容：1.实验系统检查与连接。A、取下样品室的筒套，查待测PN结管和测温元件应分别放在铜座的左右两侧圆孔内，其管脚不与容器接触，然后拧紧筒套。B、控温电流开关应放在“关”的位置，此时加热指示灯不亮，接上加热电源线和信号传输线。2.VF（TR）的测量和调零开启测试仪电源预热数分钟后，将“测量选择”拔到IF由“IFF2F1F2F1IIlnqkTVVT1dTVd2n12调节”使IF＝50微安。将“测量选择”拔到VF记下VF值，再将“测量选择”拔置△V由“△V调零”使△V＝03.测定△V－T曲线：开启加热电源，按△V每改变5毫伏读取一组△V，T。这样可以减小误差。4.求被测PN结正向压降随温度变化的曲线的灵敏度Smv/℃(作出△V－T曲线，其斜率就是S5.估算被测PN结材料硅的禁带宽度ES（0）＝QVg(0)电子伏⊿T＝－273.2K结果与ES＝1.21电子伏作比较，求误差。6.数据记录：实验起始温度TS＝℃工作电流IF＝∪A起始温度为TS时的正向压降VF＝MV控温电流A⊿V＝VF（T）－VF（TR）mvT℃T=273.2+TK六、注意事项与预习：A：注意事项：1.控温电流不应开始放的过大，应慢慢的加大电流，且不应将电流值加过0.5A。2.“IF调节”与“⊿V调零”确定后，在整个实验过程中不要再次调节。B：预习思考题：1.PN结正向压降与温度的关系？2.测量时IF＝？⊿V＝？3.测量时记录的温度为K氏温度还是摄氏温度？4.实验加温时应注意些什么？七、实验报告的要求：1.实验题目2.实验仪器3.实验原理4.实验装置图与原理分析5.实验方法与内容6.实验的数据分析（作图、求灵敏度、禁带宽度）八、附：实验数据分析TS＝31.9℃IF＝50微安VF＝606MV控温电流A⊿V＝VF（T）－VF（TR）mvT℃T=273.2+TK0.1-1035.83090.1-2040.3313.50.2-3044.1317.30.2-4048.7321.90.2-5053.3326.50.2-6057.9331.10.2-7062.6335.80.2-8067.1340.3-90-80-70-60-50-40-30-20-100309314317322327331336340T(K)