PN结正向压降温度特性的研究

1中国科学技术大学物理实验报告安全科学与工程系07级姓名：朱超学号：PB07013227实验题目：PN结正向压降温度特性的研究85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）（注：（1），（2）式推导参考刘恩科半导体物理学第六章第二节）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2IF=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rnFggFTTqkTTTVVVV1111)0()0(（4）按理想的线性温度影响，VF应取如下形式：)(111TTTVVVFFF理想（5）TVF1等于T1温度时的TVF值。由（3）式可得rqkTVVTVFgF111)0(（6）所以rTTqkTTVVVTTrqkTVVVVFggFgF1111111)0()0(理想（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rFTTLnqkTTTrqkVV)(11理想（8）设T1=300°k，T=310°k，取r=3.4*,由（8）式可得∆=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T的二阶导数dTdVTdTVdnn12121可知的变化与T成反比，所以VF-T3的线性度在高温端优于低温端，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2121FFFFIIInqkTVV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，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，∆V0；若降温，则∆V0，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℃4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．实验系统检查与连接A．取下样品室的简套（左手扶筒盖，右手扶筒套顺时针旋转），查待测PN结管和测温元件应分放在铜座的左、右两侧圆孔内，其管脚不与容器接触，然后放好筒盖内的橡皮0圈，装上筒套。0圈的作用是当样品室在冰水中进行降温时，以防止冰水渗入室内。B．控温电流开关应放在“关”位置，此时加热指示灯不亮。接上加热电源线和信号传输线。两者连线均为直插式，在连接信号线时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，再按插头的紧线夹部位，即可插入。而拆除时，应拉插头的可动外套，决不可鲁莽左右转动，或操作部位不对而硬拉，否则可能拉断引线影响实验。实验仪器线路已接好，由老师演示，同学们无需再调。2．VF（O）或VF（TR）的测量和调零将样品室埋入盛有冰水（少量水）的杜瓦瓶中降温，开启测试仪电源（电源开关在机箱后面，电源插座内装保险丝），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=50μA，待温度冷却至0℃时，将K拨到VF，记下VF（0）值，再将K置于∆V，由5“∆V调零”使∆V=0。本实验的起始温度TS从室温TR开始，只测Si管，按上述所列步骤，测量VF（TR）并使∆V=0。3．测定∆V—T曲线取走冰瓶，开启加热电源（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆V和T，至于∆V、T的数据测量，可按∆V每改变10或15mV立即读取一组∆V、T，这样可以减小测量误差。应该注意：在整个实验过程中，升温速率要慢。且温度不宜过高，最好控制在120℃左右。4．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。(1)升温时的∆V—T曲线300320340360380400-200-180-160-140-120-100-80-60-40-20020V(mv)TempY=A+B*XB=-2.01(2)降温时的∆V—T曲线300320340360380400-200-180-160-140-120-100-80-60-40-20020V(mv)TempY=A+B*XB=-2.0365．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，可得(0)(0)(273.2)FgFFdVVVTVSTdT∆T=-273.2°K，即摄氏温标与凯尔文温标之差。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。（1）升温时S=-2.01()()(300.3)1.208FgFFdVtVVtTVSTdT(0)1.208gEeV误差为1.2101.2080.166%1.208（2）降温时S=-2.03()()(300.3)1.215FgFFdVtVVtTVSTdT(0)1.215gEeV误差为1.2151.2100.412%1.2156．数据记录(按如下格式记录数据)实验起始温度TS=27.1℃工作电流IF=50μA起始温度为TS时的正向压降VF（TS）=605mV控温电流A∆V=VF（T）-VF（TS）mvt℃（升）T（升）t℃（降）T（降）0.1-1032.1305.332.0305.20.2-2037.1310.336.9310.10.3-3042.2315.441.9315.10.3-4047.2320.446.83200.3-5052.2325.451.7324.90.3-6057.1330.356.7329.90.3-7062.2335.461.5334.70.3-8067.2340.466.5339.70.3-9072.1345.371.5344.70.3-10077350.276.5349.70.4-11081.9355.181.4354.60.4-12087360.286.4359.60.4-13092365.291.3364.570.4-14097370.296.3369.50.4-150101.9375.1100.7373.90.4-160106.6379.8105.6378.80.4-170111.4384.6110.6383.80.4-180116.3389.5116.3389.5误差分析这次实验产生误差的主要原因时我读数时没有按照跳变读，而是选取了中间点，这样不容易找准中间点，而产生误差。还有就是为了升温迅速采取了较大的电流。另外，半导体本身的非线性项误差也是造成误差的重要一环。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：因为在TSVTTVVVFFFg)2.273()0()0(的计算中需要用得到VF（0）或VF（TR），所以要测。在实验中最重要需要测S，而S为斜率，用∆V比用V更直观、更方便。而且用∆V会使r因子的非线性影响减小，可以减小误差。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：因为变化时，∆V变化比T明显，若用T取∆V会使∆V跨度很大，这样会增大误差。所以实验采取这样的读数方法思考题做的很好!