PN结正向特性以及AD590的研究(只读)

PN结正向特性的研究和应用PN结作为最基本的核心半导体器件，得到了广泛的应用，构成了整个半导体产业的基础。在常见的电路中，可作为整流管、稳压管；在传感器方面，可以作为温度传感器、光敏二极管等等。所以，研究和掌握PN结的特性具有非常重要的意义。单向导电性是PN结最基本的特性。本实验通过测量正向电流和正向压降的关系，研究PN结的正向特性：由可调微电流源输出一个稳定的正向电流，测量不同温度下的PN结正向电压值，以此来分析PN结正向压降的温度特性。通过这个实验可以测量出波尔兹曼常数，估算半导体材料的禁带宽度，以及估算通常难以直接测量的极微小的PN结反向饱和电流；学习到很多半导体物理的知识，掌握PN结温度传感器的原理。【实验目的】1．在恒定温度条件下，测量正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线。2．在恒定电流条件下，测绘PN结正向压降随温度的变化曲线，确定其灵敏度，估算被测PN结材料的禁带宽度。3．学习指数函数的曲线回归的方法，并计算出波尔兹曼常数，估算反向饱和电流。4．探究：用给定的PN结测量未知温度。【实验原理】（一）PN结的正向特性理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系（参考附录一）：)exp(kTqVIsIFF（1）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：111(0)(0)lnrFggFTkTTVVVVTqT（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（4）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：11ln()rFkkTTVVrTTqqT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，在恒定小电流条件下，PN结的VF对T的依赖关系主要取决于线性项V1，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的理论依据。（二）求PN结温度传感器的灵敏度，测量禁带宽度由前所述，我们可以得到一个测量PN结的正向压降VF与热力学温度T关系的近似式：1(0)(0)lnFggFkCVVVTVSTqI(9)式中S(mV/℃)为PN结温度传感器灵敏度。用实验的方法测出VF~T变化关系曲线，其斜率/FVT即为灵敏度S。在求的S后，根据式（9）可知：(0)gFVVST（10）从而可以求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度(0)(0)ggEqV。硅材料的(0)gE约为1.21eV。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，Eg为1.43eV）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2121ndVdTT可知，1ndVdT的变化与T成反比，所以VF—T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PN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(11)本实验所用的PN结也是由三极管的cb极电路后构成的。尽管还有一定的误差，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（例如AD590、LM35等）。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℃。（三）求玻尔兹曼常数由式（11）可知，在保持T不变的情况下，只要分别在不同电流IF1、IF2下测得相应的VF1、VF2就可求的波尔兹曼常数k。2121()FFFFIqkInVVTI（12）这种方法由于只测量两组数据，故而操作简单便捷，但也存在随机误差大的弊病。为了提高测量的精度，通常根据式（1）指数函数的曲线回归，求得k值。方法是以公式exp()FFIABV的正向电流IF和正向压降VF为变量，根据测得的数据，用Excel进行指数函数的曲线回归，求得A、B值，再由A=IS求出反向饱和电流，B=q/kT求出波尔兹曼常数k。在实际测量中，二极管的正向IF—VF关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数k往往偏小。这是因为通过二极管的电流不只是扩散电流，还有其它电流。一般它包括三个部分：1、扩散电流，它严格遵循(1)式；2、耗尽层复合电流，它正比于exp()2FqVkT；3、表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于exp()FqVmkT,一般m2。因此，为了验证(1)式及求出准确的波尔兹曼常数，不宜采用硅二极管，而采用硅三极管接成共基极线路，因为此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。实验中若选取性能良好的硅三极管，并且又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全可以忽略，所以此时集电极电流与结电压将满足(1)式。【实验内容】1、在恒定温度条件下，测量正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线。选取合适的温度值（例如30℃），待温度恒定后开始实验。正向电流IF逐渐增大，记录正向压降VF。2、在恒定电流条件下，测绘PN结正向压降随温度的变化曲线，确定其灵敏度。选择合适的正向电流IF（例如50μA），并保持不变，一般选小于100μA（思考为什么不宜选择太大的电流?）。在30℃~80℃温度范围（不宜太高，一般不超过100℃）内选取待测温度点，逐点测量相应的VF。3、计算波尔兹曼常数k，与公认值1.38×10-23J/K比较，计算误差。4、求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S(mV/℃)。5、估算被测PN结材料的禁带宽度，与公认值(0)gE=1.21eV比较，计算误差。6、（选作）用给定的PN结测量未知温度。（自行设计）【附录一】由半导体物理学可知，PN结的正向电流-电压关系满足：[exp()1]FFqVIIskT式中IF是通过PN结的正向电流，Is是反向饱和电流，在温度恒定时为常数，T是热力学温度，q是电子的电荷量，VF为PN结正向压降。由于在常温(300K)时，kT/q≈0.026V,而PN结正向压降约为十分之几伏，则exp()FqVkT1,因此括号内-1项完全可以忽略，于是有：exp()FFqVIIskT也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。集成电路温度传感器的特性测量及应用随着科技的发展，各种新型的集成电路温度传感器器件不断涌现，并大批量生产和扩大应用。这类集成电路测温器件有以下几个优点：（1）温度变化引起输出量的变化呈现良好的线性关系；（2）不像热电偶那样需要参考点；（3）抗干扰能力强；（4）互换性好，使用简单方便。因此，这类传感器已在科学研究、工业和家用电器温度传感器等方面被广泛使用于温度的精确测量和控制。本实验要求测量电流型集成电路温度传感器的输出电流与温度的关系，熟悉该传感器的基本特性，并采用非平衡电桥法，组装成为一台30℃~80℃数字式温度计。【实验原理】AD590集成电路温度传感器是由多个参数相同的三极管和电阻组成。该器件的两端当加有某一定直流工作电压时（一般工作电压可在4.5~20V范围内），它的输出电流与温度满足如下关系：AtBI式中，I为其输出电流，单位：uA，t为摄氏温度，B为斜率,一般AD590的B=1uA/℃，即如果该温度传感器的温度升高或降低1℃，那么传感器的输出电流增加或减少1uA，A为摄氏零度时的电流值，其值恰好与冰点的热力学温度273K相对应。（对市售一般AD590，A=273~278uA略有差异。）利用AD590集成电路温度传感器的上述特性，可以制成各种用途的温度计。采用非平衡电桥线路，可以制作一台数字式摄氏温度计，即AD590器件在0℃时，数字电压显示值为“0”，而当AD590器件处于t℃时，数字电压表显示值为“t”。【实验仪器】【实验内容】一、AD590的测试方法：1．AD590为两端式集成电路温度传感器，它的管脚引出端有两个，如图1所示：序号1接电源正端U（红色引线）。序号2接电源负端U(黑色引线)。至于序号3连接外壳，它可以接地，有时也可以不用。AD590工作电压，通常工作电压4~20V，但不能小于4V，小于4V出现非线性。2.100PT数显式温度计等。二、AD590传感器温度特性测量及数字式温度计的设计：1.按图2接线（AD590的正负极不能接错）。测量AD590集成电路温度传感器的电流I与温度t的关系，取样电阻R=1000Ω。把实验数据用最小二乘法进行拟合，求斜率B、截距A和相关系数r。实验时应注意AD590温度传感器为二端铜线引出，为防止极间短路，两铜线不可直接放在水中。2.制作量程为30℃~80℃范围的数字温度计。把AD590、电阻箱、定值电阻、直流稳压电源及数字电压表按图3接好。将AD590置于30℃环境中，取1000RR32，调节R4使数字电压表示值为30。然后把AD590放入其他温度的环境中，用PT100标准温度计进行读数对比，求出百分差。3.令图3中电源电压发生变化，如从8V变为10V，观测一下，数字电压表指示的温度有无变化？分析其原因。三、AD590传感器的输出电流和工作电压关系测量：将AD590传感器处于恒定温度，将直流电源、AD590传感器、定值电阻、直流电压表等按图4接电路线。调节电源输出电压从1.5~10V，测量加在AD590传感器上的电压U与输出电流）)R/UI(IR的对应值，要求实验数据10点以上。用坐标纸做AD590传感器输出电流I与工作电压U的关系图，求出该温度传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压Ur。【思考题】1.电流型集成电路温度传感器有哪些特性？它比半导体热敏电阻、热电偶有哪些优点？2.如何用AD590集成电路温度传感器制作一个热力学温度计，请画出电