2022年实验十三---PN结特性的研究和应用.docx

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1、精品学习资源12 级电科专业专业试验支配表 2021 下半年内容太 阳 能PN结 导 热 系二 阶 电电 源 特声 光 电电 池 特特性数路性路性讨论数 字 万用表刘燕勇光 电 传感器刘志勇电科12 周38 周 311周 39 周 316 周 315 周313 周 310 周 3121202101205103103207205303电科13 周39 周 312 周 38 周 315 周 316 周314 周 311周 3122202101205103103207205303班级黄瑞强叶会亮罗飞邹文强邹文强黄瑞强说明： 14 周 3上课时间为第 14 周星期 3 ；上课地点为物理试验室103 教

2、室；103每一时间段试验为4 学时，下午上课时间：14:30-17:30每次试验上课前需仔细预习相关试验内容并写好预习报告每位同学预备8 张 16 开试验报告纸， 8 张 32 开原始记录纸；讲义份数： 导热系数？份 , 电源特性？份 , 声光电路？份；所开设试验的房间治理由各位老师自己承担；理学院物理试验室2021.09.06试验十三PN 结特性的讨论和应用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、发光二极管、光敏二极管等等；所以，讨论和把握 PN 结的特性具有特别重要的意义；PN

3、 结具有单向导电性，这是 PN 结最基本的特性；本试验通过测量正向电流和正向压降的关系，讨论PN 结的正向特性：由可调微电流源输出一个稳固的正向电流，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；通过这个试验可以测量出玻尔兹曼常数，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；学习到许多半导体物理的学问，把握PN 结温度传感器的原理；【试验目的】1、测量同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；2、在同一恒定正向电流条件下，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

4、习指数函数的曲线回来的方法，并运算出玻尔兹曼常数，估算反向饱和电流；欢迎下载精品学习资源4、探究：用给定的PN 结测量未知温度；【试验原理】一、 PN 结的正向特性抱负情形下， PN 结的正向电流随正向压降按指数规律变化；其正向电流IF 和正向压降VF存在如下近关系式：qVF欢迎下载精品学习资源IFI s exp kT 1欢迎下载精品学习资源其中 q 为电子电荷； k 为玻尔兹曼常数；T 为肯定温度； 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有关的系数，可以证明：欢迎下载精品学习资源SICT rexpqVg 0 kT 2欢迎下载精品学习资源其中 C 是与结面积、掺质浓度

5、等有关的常数，r 也是常数 r 的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取 ；Vg0 为肯定零度时 PN 结材料的带底和价带顶的电势差，对应的 qVg0即为禁带宽度；将 2式代入 1式，两边取对数可得：欢迎下载精品学习资源VFVg 0 k ln qkC T IFCkT ln T rqV 1Vn13欢迎下载精品学习资源其中 V 1Vg 0lnT qIF欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源Vn1kTrln Tq欢迎下载精品学习资源方程 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；令IF=常数，就正向压降只随温度而变化，但是在方程3中仍包含非线性顶

6、Vn1；下面来分析一下Vn1 项所引起的非线性误差；设温度由 T1 变为 T 时，正向电压由 VF1 变为 VF，由 3式可得欢迎下载精品学习资源VFVg 0 Vg 0VF 1 TT 1kT ln qT rT 14欢迎下载精品学习资源按抱负的线性温度响应，VF 应取如下形式VF 1欢迎下载精品学习资源V抱负VF 1TT 1T5欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源等于 TV F11 温度时的TVF 值T欢迎下载精品学习资源由 3式求导，并变换可得到欢迎下载精品学习资源VF 1TVg 0 T 1VF 1k r q6欢迎下载精品学习资源所以 V抱负VF1Vg 0 T 1VF 1k r T qT

7、1欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源=Vg 0Vg 0 TVF1 T 1kTT 1rq7欢迎下载精品学习资源由抱负线性温度响应 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 :欢迎下载精品学习资源=V 抱负 -VF =k T qT 1rkT ln qT rT 18欢迎下载精品学习资源设 T1=300 K，T=310 K，取 r=3.4, 由8式可得， 而相应的 VF 的转变量约为20 mV 以上，相比之下误差 很小；不过当温度变化范畴增大时，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，在恒流小电流的条件下，PN 结的 VF对 T的依靠关系取决

8、于线性项V1，即正向压降几乎随温度上升而线性下降，这也就是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 结的结电压 VF与热力学温度 T 关系的近似关系式：欢迎下载精品学习资源VFV 1Vg 0 k ln qC T I FVg 0 ST9欢迎下载精品学习资源式中 SmV/ 为 PN 结温度传感器灵敏度；用试验的方法测出VF-T 变化关系曲线，其斜率 VF/ T 即为灵敏度 S；在求得 S 后，依据式 9可知欢迎下载精品学习资源Vg 0VFST 10欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源从而可求出温度 0K 时半导体材料的近似禁带宽

9、度Ego qVg o ；硅材料的Ego 约为；欢迎下载精品学习资源必需指出， 上述结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽视的温度区间对于通常的硅二极管来说，温度范畴约-50 -150 ；假如温度低于或高于上述范畴时，由于杂质电离因子减小或本征载流子快速增加，VFT 关系将产生新的非线性，这一现象说明VFT 的特性仍随 PN 结的材料而异，对于宽带材料如GaAs，Eg 为的 PN 结，其高温端的线性区就宽；而材料杂质电离能小如Insb的 PN 结，就低温端的线性范畴宽；对于给定的PN 结，即使在杂质导电和非本征激发温度范畴内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是欢迎下载精品学习资源非线性项

10、Vn1 引起的， 由 Vn1 对 T 的二阶导数d 2V21 可知，dV n1的变化与 T 成反比， 所以欢迎下载精品学习资源dTTdTVFT 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、利用对管的两个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，由此获得两者之差IF1-IF2与温度成线性函数关系，即欢迎下载精品学习资源VF1-VF2=kT 1n qI F 1I F 2 11欢迎下载精品学习资源本试验所用的 PN 结

11、也是由三极管的 cb 极短路后构成的；尽管仍有肯定的误差，但与单个 PN 结相比其线性度与精度均有所提高；2、采纳电流函数发生器来排除非线性误差；由 3式可知，非线性误差来自 Tr 项， 利用函数发生器， IF 比例于肯定温度的 r 次方，就 VFT 的线性理论误差为 =0；试验结果与理论值比较一样，其精度可达；三、求波尔兹曼常数由式 11可知，在保持T 不变的情形下，只要分别在不同电流IF1、 IF2 下测得相应的VF1、VF2 就可求得波尔兹曼常数k；欢迎下载精品学习资源F1kq 1n I F 2 V- VF2 12欢迎下载精品学习资源TI F1欢迎下载精品学习资源式 IF为了提高测量的精

12、度，也可依据式1指数函数的曲线回来，求得k 值；方法是以公A expBVF 的正向电流 IF 和正向压降 VF 为变量，依据测得的数据，用Excel进行指欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源数函数的曲线回来，求得A、B 值，再由 A=Is 求出反向饱和电流，Bq kT求出波尔兹曼欢迎下载精品学习资源常数 k；【试验内容与步骤】试验前，请参照仪器使用说明，将DH-SJ 型温度传感器试验装置上的“加热电流”开关置“关”位置， 将“风扇电流”开关置“关”位置，接上加热电源线； 插好 Pt100 温度传感器和 PN 结温度传感器， 两者连接均为直插式； PN 结引出线分别插入PN 结正向特性综合试

13、验仪上的 +V、-V 和+I、-I；留意插头的颜色和插孔的位置；打开电源开关，温度传感器试验装置上将显示出室温TR，记录下起始温度TR；1、测量同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；为了获得较为精确的测量结果，我们在仪器通电预热10 分钟后进行试验；先以室温为基准，测整个伏安特性试验的数据；第一将 PN 结正向特性综合试验仪上的电流量程置于1档，再调整电流调剂旋钮，观看对应的 VF值应有变化的读数；可以依据表1 的 VF 值来调剂设定电流值，假如电流表显示值到达 1000，可以改用大一档量程， 记录下一系列电压、电流值于表 1；由于采纳了高精确度的微电流源，这种测量方法可

14、以减小测量误差；留意，在整个试验过程中，都是在室温下测量的；实际的VF 值的起、终点和间隔值可依据实际情形微调；有爱好的同学也可以再设置一个合适的温度值，待温度稳固后， 重复以上试验， 测得一组其他温度点的伏安特性曲线；2、在同一恒定正向电流条件下，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；挑选合适的正向电流IF，并保持不变；一般选小于100 A的值，以减小自身热效应；将 DH-SJ型温度传感器试验装置上的“加热电流”开关置“开”位置，依据目标温度，挑选合欢迎下载精品学习资源适的加热电流，在试验时间答应的情形下，加热电流可以取得小一点，如 0.6A 之

15、间；这时加热炉内温度开头上升， 开头记录对应的 VF 和 T 于表 2；为了更精确地记数， 可以依据的变化，记录 T 的变化；留意：在整个试验过程中，正向电流 IF 应并保持不变；设定的温度不宜过高，必需掌握在 120以内；3、运算玻尔兹曼常数 ,学习用 EXECL进行指数函数的曲线回来的方法；直接运算法：对表 1 测得的数据，用公式 12，运算出玻尔兹曼常数 k =；欢迎下载精品学习资源曲线拟合法： 借用 Excel程序拟合指数函数； 以公式 I FA expBVF 的正向电流 IF和正欢迎下载精品学习资源向压降 VF为变量，依据表 1 测得的数据，以 VF 为 x 轴数据， IF 为 y

16、轴数据，用 Excel 进行指欢迎下载精品学习资源数函数的曲线回来，求得A、B 值，再由 A=Is，估算出反向饱和电流；Bq kT，求出波欢迎下载精品学习资源尔兹曼常数 k；Excel中自动拟合曲线的方法：1在 Excel中将选中需要拟合的正向电压和正向电流数据，依次点击Excel 程序菜单插入 图标标准类型 xy 散点图 子表类型 许多据点平滑散点图 下一步，显现数据区域、系列选项，在数据区域选项中，可依据实际的数据区域的排列，挑选行或列；在系列选项中可填入不同系列的代号，如该曲线测量时的温度值；点击下一步， 显现图标选项，在标题项中，可填入图标标题、数值X轴、数值 Y轴内容，如 PN 结伏

17、安特性、正向电压 V、正向电流 A，在网格线项中，可挑选主要网格线、次要网格线；点击下一步，可完成曲线的图表绘制；完成后的图标， 假如需要更换， 仍可以连续设置；双击图标区域，在弹出的绘图区格式中，可以挑选绘图区的背景色；双击坐标轴， 在弹出的坐标轴格式框中，可设置坐标轴的刻度、起始值等，可依据需要自行设置；完成以上设置后，在已产生图表中，右键单击数据曲线，在右键菜单中，挑选添加趋势线，在类型菜单中挑选要生成曲线的类型，这里挑选指数X，在选项菜单中选中显示公式、显示 R 平方值点击确定即可显示公式；右键点击公式， 点击数据标志格式，挑选数字栏的科学计数，小数位数挑选3 位，点击确定，即可依据此

18、公式可求出：欢迎下载精品学习资源A=， B=，相关系数 rR2 =；欢迎下载精品学习资源估算反向饱和电流Is =A=，波尔兹曼常数 kq BT =；欢迎下载精品学习资源4、求被测 PN 结正向压降随温度变化的灵敏度SmV/K；以 T 为横坐标， VF 为纵坐标， 作 VFT 曲线， 其斜率就是 S；这里的 T 单位为 K；用 Excel对 VFT 数据按公式 VFATB 进行直线拟合，方法同前，参数可重新设定，建议X 轴坐标起始点选 270K；在添加趋势线时，在类型菜单中挑选线性L即可；依据得到的公式， 可求出：欢迎下载精品学习资源A=， B=，相关系数 rR2 =；欢迎下载精品学习资源1斜率

19、，即传感器灵敏度S A=mV / K ;2截距 Vg0 =B=V0K 温度； 5、估算被测 PN 结材料的禁带宽度；1由前已知， PN 结正向压降随温度变化曲线的截距B 就是 Vg 0 的值；也可以依据公式欢迎下载精品学习资源10进行单个数据的估算， ，将温度 T 和该温度下的 VF 代入 Vg 0VFST 即可求得Vg 0 ，欢迎下载精品学习资源留意 T 的单位是 K；2将试验所得的 Eg0=qVg0 =电子伏，与公认值Eg0电子伏比较，并求其误差；*6 、探究：用给定的PN 结测量未知温度；试验使用的PN 结传感器可以便利地取出；依据试验原理，结合试验仪器，将该PN 结制成温度传感器，试用其测量未知的温度；详细过程请自行设定；PN 结特性的讨论和应用数据原始记录纸学号班级表 1同一温度下正向电压与正向电流的关系T=序12345678号VF/VI F欢迎下载精品学习资源/ A序910111213141516欢迎下载精品学习资源号VF/VI F欢迎下载精品学习资源/ A序1718192021222324欢迎下载精品学习资源号VF/VI F/ A表 2同一 IF下，正向电压与温度的关系IF=A序12345678号T欢迎下载精品学习资源/ VF/V序号T/ VF/V序号T/ VF/V9101112131415161718192021222324老师签名： 试验日期：欢迎下载