PN结正向压降与温度特性的研究

物理实验报告数学系张冬梅PB03001104实验题目：PN结正向压降与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IF和压降VF存在如下近似关系)exp(kTqVIsIFF（1）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])0(exp[kTqVCTIsgr（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11)0(nrFgFVVInTqkTTIcInqkVV（3）其中rnFgInTqKTVTIcInqkVV11)0(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。VF—T的特性还随PN结的材料而异。略去非线性项，可得TSVTTVVVFFFg)2.273()0()0(∆T=-273.2°K，即摄氏温标与凯尔文温标之差。实验装置如图：实验数据：实验起始温度TS=26.6℃工作电流IF=50μA起始温度为TS时的正向压降VF（TS）=590mV（升温过程数据）控温电流A∆V=VF（T）-VF（TS）mvT℃T=(273.2+T)°K0.2-1030.9304.10.2-2035.2308.40.2-3039.6312.80.3-4044.1317.30.3-5048.6321.80.3-6053.1326.30.3-7057.3330.50.3-8061.7334.90.4-9066.5339.70.4-10070.9344.10.5-11075.4348.60.5-12079.8353.00.5-13084.3357.50.5-14088.8362.00.6-15093.3366.50.6-16097.7370.90.6-170102.0375.20.7-180106.6379.8（降温过程数据）∆V=VF（T）-VF（TS）mvT℃T=(273.2+T)°K-1030.4303.6-2034.8308.0-3039.6312.8-4044.5317.7-5048.9322.1-6053.5326.7-7057.8331.0-8062.8336.0-9067.5340.7-10071.5344.7-11076.5349.7-12080.7353.9-13084.9358.1-14089.4362.6-15094.5367.7-16098.5371.7-170103.2376.4-180107.4380.6数据处理：1．求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mv/℃）。作∆V—T曲线（使用Origin软件工具），其斜率就是S。（pn1开氏温度表示）(1)升温过程：300310320330340350360370380390-200-180-160-140-120-100-80-60-40-200?V=VF（T）-VF（TS）mv温度T(°K)V1V2LinearFitofData1_V1V2###对升温过程数据进行线性拟合的结果如下：LinearRegressionforDataup_V1-V2:Y=A+B*XParameterValueError------------------------------------------------------------A671.147690.84496B-2.241140.00247------------------------------------------------------------RSDNP-------------------------------------------------------------0.999990.2422180.0001(2)降温过程300310320330340350360370380390-200-180-160-140-120-100-80-60-40-200?V=VF（T）-VF（TS）mv温度T(°K)V1V2LinearFitofData3_V1V2###对降温过程数据进行线性拟合的结果如下：LinearRegressionforDatadown_V1V2:Y=A+B*XParameterValueError------------------------------------------------------------A659.975972.24997B-2.204670.00655------------------------------------------------------------RSDNP-------------------------------------------------------------0.999930.65439180.0001灵敏度S取两组数据处理中的B的平均值：S=[(-2.24)+(-2.20)]/2=-2.22（mv/℃）？2.估算被测PN结材料硅的禁带宽度Eg(0)=qVg(0)电子伏。根据（6）式，略去非线性项，（∆T=-273.2°K，即摄氏温标与凯尔文温标之差）可得：TSVTTVVVFFFg)2.273()0()0((*)=590mV+（-2.22）（mv/℃）(-273.2-26.6)°K=1255.56mV=1.26VEg(0)=qVg(0)=1.26电子伏3.将实验所得的Eg（0）与公认值Eg（0）=1.21电子伏比较，求其误差得：[|1.20-1.21|/1.21]*100%=4.1%思考题1．测VF（0）或VF（TR）的目的何在？为什么实验要求测∆V—T曲线而不是VF—T曲线。答：测VF（0）或VF（TR）的目的在于满足(*)式计算，获得正向压降的数值。由实验原理部分的分析知，令IF=常数，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。测∆V—T曲线，做线性拟合更精确。2．测∆V—T曲线为何按∆V的变化读取T，而不是按自变量T取∆V。答：温度读书变化不易精确控制，按∆V每改变10mV立即读取一组∆V、T，这样可以减小测量误差。