PN结正向电压和温度特性研究

Sunny制作，仅供参考。2015年6月13日PN结正向电压和温度特性研究早在20世纪60年代初，人们就试图利用PN结的正向电压随温度升高而降低的特性来制作测温元件。现在PN结以及在此基础上发展起来的晶体管温度传感器、集成电路温度传感器已广泛应用于各个领域。PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和小巧的特点，尤其是在温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时信号处理等方面，是其他测温仪器所不能与之媲美的。PN结温度传感器缺点是测温范围小，以硅为材料的温度传感器，在非线性误差不超过0.5%的情况下，测量范围在-50~150℃。如果采用非其他材料，例如锑化铟画着砷化镓，可以展宽传感器低温区或高温区的测温范围。一、实验目的1.了解PN结正向电压随温度变化的基本规律2.测量PN结正向伏安特性曲线3.测量恒流条件下PN结正向电压随温度变化的关系曲线4.测量PN结的测温灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度二、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。Sunny制作，仅供参考。2015年6月13日令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TIqInCkVVFgF)//()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对的二阶导数dTdVTdTVdnn12121可知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Sunny制作，仅供参考。2015年6月13日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℃。三、实验仪器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。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；测温元件型号为AD590，各接线如图所示。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。通过“测量选择”开关选择实现对∆V、IF、VF的测量。四、实验内容1.测量PN结正向伏安特性曲线由（4）式可以看出，在温度不变的条件下，PN结的正向电流IF与电压VF呈指数曲线关系，如图1所示。Sunny制作，仅供参考。2015年6月13日本实验要求绘出室温和t=40℃时两条PN结伏安曲线。2.测量恒流条件下PN结正向电压随温度变化曲线本实验要求测出IF=50uA条件下PN结的正向电压随温度变化曲线，实验中每隔5oC测一个数据，直至加热到85oC，先要记下温室时PN结的电压VF值，用坐标绘出相应的曲线。3.确定PN结的测温灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度1）以t作横坐标，VF作纵坐标，作t—VF曲线。正确的采用两点式求斜率的方法，计算PN结温度传感器的灵敏度S)/()(1212ttVVS2）计算热力学温度0K时PN结材料的导带底与价带顶的点位差Vg（0）Vg（0）=VF（t0）+S（273.2+t0）3）计算PN结材料的禁带宽度E（0）利用计算出的值求并与公认值1.21eV比较，计算其误差。五、实验数据及处理（1）PN结正向伏安特性曲线①室温下，T=26.5℃，AIF50)0(,VVtF481m)0()0(tFV(mV)250275300325350375I(μA)0.50.91.83.25.79.6)0(tFV（mV）400425450475500I(μA)15.724.134.246.560.4Sunny制作，仅供参考。2015年6月13日利用作图软件得伏安特性曲线：可以看出实际伏安特性曲线相比于理论预测指数曲线上升的较慢，电压V越高两者差异越大。②CT40）（TVF(mV)250275300325350375I(μA)1.32.34.17.512.619.0）（TVF(mV)400425450475500I(μA)28.038.951.366.182.5利用作图软件得伏安特性曲线：可以看出虽然温度升高了，但是电压随电流依然是以近似于指数曲线的关系升高。2.测量恒流条件下PN结正向电压随温度变化曲线Sunny制作，仅供参考。2015年6月13日AIF50T/°C4045505560V/mV445432421408397T/°C6570758085V/mV394374361347333相应曲线如下：拟合结果如下：则PN结温度传感器的灵敏度S:)/()(1212ttVVS=2.4339mV/°CmVSVVtFg4.1210)5.262.273(*4339.2481)t2.273(0)0(0则由此求得禁带宽度：eVE211.1)0(gSunny制作，仅供参考。2015年6月13日理论值为1.21eV,相对误差0.081001.211.21-1.2110000可见误差较小，实验值与理论值符合较好。六、实验结论。通过本次实验，我们了解了PN结正向电压随温度变化的基本规律，测量了PN结正向伏安特性曲线，测量了恒流条件下PN结正向电压随温度变化的关系曲线，测量得到PN结的测温灵敏度S=2.4339mV/°C和被测PN结材料的禁带宽度eVE211.1)0(g。实验结果与理论预测符合良好。达到了实验目的。