PN结正向压降及温度关系的研究报告实验报告37582.pdf

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1、-PN 结正向压降与温度关系的研究实验报告 一、实验目的 1了解 PN 结正向压降随温度变化的根本关系，测定PN 结FFVI特性曲线及玻尔兹曼常数；2测绘 PN 结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN 结材料的禁带宽度；3学会用 PN 结测量温度的一般方法。二、实验仪器 SQ-J 型 PN 结特性测试仪，三极管3DG6，测温元件，样品支架等。三、实验原理 1PN 结FFVI特性及玻尔兹曼常数 k 的测量：由半导体物理学中有关 PN 结的研究可以得出 PN 结的正向电流FI与正向电压FV满足以下关系 FI=sIe*pkTeVF-1 式中 e 为电子电荷量、k 为玻尔兹曼常数，T 为热

2、力学温度，sI为反向饱和电流，它是一个与 PN 结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。由于在常温300K下，kT/q=0.026,而 PN 结的正向压降一般为零点几伏,所以 e*pkTeVF,1 上式括号的第二项可以忽略不计,于是有 kTeVIsIFFexp 这就是 PN 结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,假设测得半导体 PN 结的FFVI关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度 T 后,就可得到 e/k 常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k。-在实际测量中，二极管的正向FFVI关系虽能较好满足指数关系，但求得的 k值往往偏小，这是因为二极管正向电流F

3、I中不仅含有扩散电流，还含有其它电流成份。如耗尽层复合电流.、外表电流等。在实验中,采用硅三极管来代替硅二极管，复合电流主要在基极出现，三极管接成共基极线路集电极与基极短接，集电极电流中不包含复合电流。假设选取性能良好的硅三极管，使它处于较低的正向偏置状态，则外表电流的影响可忽略。此时集电极电流与发射极基极电压满足式，可验证该式，求出准确的 e/k 常数。2PN 结材料禁带宽度的测量：由物理学知，PN 结材料禁带宽度是绝对零度时 PN 结材料的导带底和价带顶间的电势差)0(gV有如下关系 kTeVCTIgrs)0(exp 式中，r 是常数，C 是与结面积、掺杂浓度等有关的参数，将式代式后两边取

4、对数得 rFgFTekTTICekVVln)ln()0(nIIVV 其中TICekVVFgI)ln(式即为 PN 结正向压降、正向电流和温度间的函数关系，它是PN 结温度传感器工作的根本方程。假设保持正向电流恒定即FI常数，则正向压降只随温度变化，显然，式中除线性项IV外还含有非线性项nIV，但可以证明当温度变化围不大时对硅二极管来说，温度围在-50-150nIV引起的误差可忽略不记。因此在恒流供电条件下，PN 结的正向压降FV对环境温度 T 的依赖关系主要取决于线性-项IV，即 PN 结的正向压降随温度升高而线性下降，这就是 PN 结测温的依据。但必须指出，这一结论仅适用于杂质全部电离、本征

5、激发可以忽略的温度区间。假设温度过高或过低不在上述温度围，则随着杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，TVF关系的非线性变化将更为严重，说明TVF特性还与 PN 结的材料有关。实验证明，宽带材料如 GaAs构成的 PN 结，其高温端线性区宽，而材料如 Insb杂质电离能小的 PN 结，其低温端的线性区宽，对于给定的 PN 结，即使在杂质导电和非本征激发温度围，其线性度随温度的上下也有所不同，这是非线性项nIV引起的。由式可以看出，减小FI，可以改善线性度，但这不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法是利用对管的两个be 结即三极管基极和集电极短路后与发射机组成一个PN 结分别在不同电流2.1F

6、FII下工作，得到两者电压差)(21FFVV与温度间的线性关系：使之与单个 PN 结相比线性度与精度有所提高。将这种电路与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成电路传感器。根据式，略去非线性，可得 Vg=VF(0)+VF(0)T/T=VF(273.2)+ST (5)T=-273.2K 为摄氏温标与开尔文温标之差，S 为正向压降随温度变化灵敏度。四、实验装置 实验用具由样品架和测试仪两局部构成,样品架构造如下图,其中A为样品室。待测样品PN结管是将三极管3DG6的基极与集电极短接后作为正极,其发射极作为负极构成的一只二极管，它和测温元件(AD590)均置于铜座B上,待测PN结的温度和电压信号输入测

7、试仪。测试仪由恒流源，基准电源和显示单元等组成。测量电路的框图如下列图所示。Ds待测的PN结。恒流源1提供If，电流输出在01000A围连续可调，恒流源2用-于加热，控温电流为0.1-1A,分为十档,每档改变电流0.1A。可根据不同的升温速度要求选择档位。基准电源主要用于V的调零。五、实验容 1.测量玻尔兹曼常数k 在一定温度的条件下，测量FFVI的关系曲线，实验可在室温下进展。2.测量PN结材料禁带宽度 将测量选择开关K拨到If，调节If=50A，将K拨到VF，记下起始温度TS时的VF(TS)值，再将K置于V，调节使V=0。测定V-T关系曲线：翻开电源开关，逐步提高加热电流，测量V所对应的T

8、值，V每变化10mV记录T的值。测量时应注意，升温速度不要太快，温度不宜过高120C。六、数据记录和处理 1.求波尔兹曼常数 k 室温 TR=19.2C 表 1 玻尔兹曼常数 k 的测量 IFA 0 1 2 3 4 VFmV 378 454 507 516 526 IFA 5 6 7 8 9 VFmV 530 536 541 544 548 IFA 10 20 30 40 50 VFmV 552 569 579 586 592-IFA 60 70 80 90 100 VFmV 597 601 604 607 610 用 MATLAB 将 IF、VF数据按指数函数拟合出方程。代码：I=1 2 3

9、 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;V=454 507 516 526 530 536 541 544 548 552 569 579 586 592 597 601 604 607 610;I=I/106;V=V/103;Cftool 利用自带拟合工具 cftool 进展拟合。结果为：General model E*p1:f(*)=a*e*p(b*)Coefficients(with 95%confidence bounds):a=8.923e-014 (-3.335e-014,2.118e-013)b=34.1 (31.81,36.38)

10、Goodness of fit:SSE:1.025e-010 R-square:0.9949 Adjusted R-square:0.9946 RMSE:2.455e-006 处理数据得：e/kT=34.1，则 k测量值=1.6*10-19/(273.15+21.3)*34.1=1.33*10-23 k真实值=Ek=|k-k真实值|/=|1.33-1.38|/1.38=3.6%2.测 PN 结硅材料的禁带宽度 起始温度 TS=19.3C，正向压降 VFTS=592mV，将测量的数据记入表 2 中。-表 2 禁带宽度 VE的测量 V(mV)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

11、 100 TC 19.3 23.8 28.2 32.7 37.3 41.6 46.1 50.6 55.0 59.3 63.8 用 MATLAB 作V-T 关系曲线，求该直线的斜率 S。代码：dV=0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;T=19.3 23.8 28.2 32.7 37.3 41.6 46.1 50.6 55.0 59.3 63.8;Cftool 利用自带拟合工具 cftool 进展拟合。结果为：Linear model Poly1:f(*)=p1*+p2 Coefficients(with 95%confidence bounds):p1=2.247

12、(2.239,2.256)p2=-43.5 (-43.87,-43.13)Goodness of fit:SSE:0.2731 R-square:1 Adjusted R-square:1 RMSE:0.1742 处理数据得：S=-2.247 Vg(0)=VF(0)+VF(0)T/T=VF(273.2)+S*T=592-2.247-273.2+19.3=1162mV=1.16V-则在室温 19.3下测得的 PN 结禁带宽度：Eg(0)=eVg(0)=1.16eV 七实验感受及收获：通过这次的实验，我了解了 PN 结正向电流和正向压降之间按指数变化的规律，并通过测绘了 PN 结正向压降随温度变化的关系曲线，确定了其灵敏度及PN 结材料的禁带宽度。除此之外主要的是我学着使用计算机上一些软件帮助处理数据更好地得到结果。这个实验的数据处理用 MATLAB 操作起来其实并不难，反而非常方便且准确，但花了不少时间。这是因为对于这类软件接触太少。这次实验让我了解到在今后的实验和科研中应用计算机的重要性，会努力提高自己的水平。