PN结正向压降温度特性地地研究实验报告材料

实验题目：PN 结正向压降温度特性的研究
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I F 和压降V F 存在如下近似关系 )exp(
kT
qV Is I F
F = （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(ex p[kT
qV CT Is g r
-
= （2）
其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (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(n r F g F V V InT q kT T I c
In q k V V +=-⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-= （3） 其中
()
r
n F g InT q
KT
V T I
c
In q k V V -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=11)0(
这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式。

令I F =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V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。

设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得 []
r
n F g g F T T q kT T T V V V V ⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛---=111
1)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式： )(11
1T T T
V V V F F F -∂∂+
=理想 （5） T V F ∂∂1等于T 1温度时的T
V F
∂∂值。

由（3）式可得 r q
k T V V T V F g F ---=∂∂111
)0( （6） 所以
()[]
()r T T q k
T T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)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
()r F T T
Ln q kT T T r q k V V )(1
1+--=-=∆理想 （8）
设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=3.4*,由（8）式可得∆=0.048mV ，而相应的V F 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，V F 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，正向压降几乎随温度升高而线性下降，可以改善线性度的方法大致有
两种：
1、对管的两个be 结分别在不同电流I F1，I F2下工作，由此获得两者电压之差（V F1- V F2）与温度成线性函数关系，即2
1
21F F F F I I In q kT V V =
- 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。

2、利用函数发生器，使I F 比例于绝对温度的r 次方，则V F —T 的线性理论误差为∆=0。

四、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P 1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P 2引入，P 2和引线（高温导线）与容器绝缘，容器为电源负端，通过插件P 1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I F ，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T R 时的正向压降V F （0）或V F （T R ），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，∆V<0；若降温，则∆V>0，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℃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I F，V F和∆V，可通过“测量选择”开关来实现。

实验步骤：
1)打开测试仪电源，将开关K拨到I F，由“I F调节”使I F=50μA。

2)将K拨到V F，记下初始温度T和对应V F（0）的值。

将K置于∆V，由“∆V调零”使∆V=0。

3)开启加热电源，逐步提高加热电流，当∆V每改变10 mV读取一组∆V、T，记录18组实验数据。

4)关闭加热电流，在降温条件下重复上述操作，记录数据。

5)整理实验仪器。

数据处理与误差分析：
实验测量数据如下：
实验起始温度T S=26.0℃
工作电流I F=50μA
起始温度为T S时的正向压降V F（T S）=609mV
表一：实验数据表利用ORINGIN，将升温和降温过程分别作图：
升温过程ΔV-T曲线：
ΔV-T曲线
图像数据降温过程ΔＶ－Ｔ曲线：
ΔＶ－Ｔ曲线
图像数据
由上图数据可知：
升温时T V -∆曲线的斜率为-2.36628，其误差为0.0025，而相关系数为0.99998 降温时T V -∆曲线的斜率为-2.36247，其误差为0.00443，而相关系数为0.99994 两次所作图像的相关系数都非常接近1，说明数据较好。

在升温过程中PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.36628±0.0025 mV/℃
禁带宽度 E g （T S ）=[V V T S T V V S F gv 255.1]1000/)2.273()36628.2(609.0)(=-⨯-+=∆⋅+= 与公认值1.21比较有
%7.321
.1|21.1255.1|)(|)()(|)(=-=-=∆S S S g S T E T E T E T E
在降温过程中PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.36247±0.00443 mV/℃
禁带宽度 E g （T S ）=V V T S T V V S F gv 254..1]1000/)2.273()36247.2(609.0[)(=-⨯-+=∆⋅+= 与公认值1.21比较有
%6.321
.1|21.1254.1|)(|)()(|)(=-=-=∆
S S S g S T E T E T E T E
误差分析：
升温和降温过程得到的灵敏度、禁带宽度很接近，但由于实验过程中温度变化比较快，不能准确记录温度， 使得禁带宽度与公认值差距较大，同时温度的测量精度比较低也增大了误差。

思考题：
1． 测V F （0）或V F （T R ）的目的何在？为什么实验要求测∆V —T 曲线而不是V F —T 曲线。

答：测量V F （0）或V F （T R ）是为了能根据公式计算出在相应温度下的禁带宽度。

V F —T 曲线不利于读数而，实验中测量∆V —T 曲线使∆V 每改变－10mv 记录一组数据相对方便。

. 2． 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：实验过程中T的变化相对比较快，并且变化不稳定，容易造成较大的误差。