PN结反向饱和电流的实验研究

PN结反向饱和电流的实验研究
王玉清
【摘要】对PN结反向饱和电流进行了精确测量,研究了PN结反向饱和电流与温
度之间的关系,证明此关系遵循指数分布规律.
【期刊名称】《延安大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(029)001
【总页数】3页(P53-55)
【关键词】PN结;反向饱和电流;温度;指数分布
【作者】王玉清
【作者单位】延安大学,物理与电子信息学院,陕西,延安,716000
【正文语种】中文
【中图分类】O475
在利用电流方程 I＝Is［exp（qU／KT）－1］［1］解决一些实际问题时，需先求出反向饱和电流。

但是在目前的大学物理实验中，对 PN结反向特征实验精度不高，效果不够理想；并且PN结反向饱和电流的测量方法目前还存在一些不够明确的观点。

有的人认为应将二极管反向电压从“1～9 V取值”［2］，然后根据反向特性数据可求得二极管的反向饱和电流值；有的人则认为在测量二极管反向伏安特性时应“从零开始逐渐增加电源电压，读取二极管两端电压每改变 1 V时，流过二极
管的电流值，一共测 10组左右数据”［3］；而有的人认为，取 1 V时，“反向
电流达到饱和”［4］；还有的人认为“无论是硅二极管还是锗二极管，在反向电
流达到饱和之前都存在多个电流数值保持不变的区段，找最后一个电流数值保持不变的数值，作为二极管的饱和电流值［5］。

”但在实际测量时，如果反向电压变化间隔较大，反向电流一直随反向电压的增大而增大，按照前两种方法就无法得到饱和电流值。

第三种方法仅是理论方面的估计，而各种二极管的实际情况差异较大，都取1 V不符合实际情况。

第四种方法是由于作者疏忽了温度对二极管反向饱和
电流的影响，导致二极管反向电流已经达到饱和还在那儿寻找电流不变的区段，最后找到的饱和电流值只是随着环境温度变化了的饱和电流值。

利用通常的方法测量二极管反向饱和电流，存在好多问题，本文利用上海复旦天欣科教仪器有限公司研制的 FD－PN－4型 PN结物理特性实验仪，对二极管反向饱和电流进行了精确测量，并且研究了二极管的反向饱和电流与温度之间的关系，证明此关系遵循指数分布规律。

由半导体物理学知识可知，PN结的正向电流—电压关系满足：
式（1）中 I是通过 PN结的正向电流，Is是反向饱和电流，T是热力学温度，q
是电子的电量，U为PN结正向压降。

由于在常温（例300 K）时，kT／e≈0.026 V，而 PN结正向压降约为十分之几伏，则exp（qU／kT）＞＞1，式（1）括号
内－1项完全可以或略，于是有：
为了准确测定 PN结反向饱和电流，消除耗尽层复合电流、表面层电流对实验的影响，采用硅三极管接成共基极线路，此时集电极与基极短接［6］，集电极电流 Ic 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。

本实验中选取性能良好的硅三极管（TIP31c型），实验中又处于较低的正向偏置，表面电流影响也完全可以或略，所以此时集电极电流与结电压将满足式（2）。

这样：
由式（2）、式（3）得
由图2可知
由式（4）、式（5）、式（6）得
若测得 U1、1n U2值，利用最小二乘法处理数据，求得截距，这里 R＝106Ω，从而求得 PN结反向饱和电流 Is。

对式（7）两边取自然对数得
2.1 二极管反向饱和电流的测量
2.1.1 实验装置如图1所示，上海复旦天欣科教仪器有限公司研制的 FD－PN－4型 PN结物理特性实验仪一整套，实验线电路图如图 2所示。

图 2中U1为三位半数字电压表，U2为四位半数字电压表，TIP31c型为带散热板的功率三极管，调节电压的分压器为多圈电位器，为保持PN结温度与周围环境温度一致，把
TIP31c型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中，变压器温度用铂电阻进行测量。

2.1.2 设定温度，待 PN结与油温度一致并且稳定时，记录该温度，测量对应温度下三极管发射极与基极之间电压 U1和对应电压 U2。

U1的值约从0.300 V至0.450 V范围内每隔 0.010 V测一点数据，约测10～15个数据点。

2.1.3 查出对应U2的 1n U2值，这样得到 U1、对应温度下的 1n U2值。

利用最小二乘法处理数据，求得截距 a＝1n Is＋1n R，从而求得对应温度下 PN结反向饱和电流 Is。

2.2 PN结反向饱和电流与温度之间关系的研究
2.2.1 多次改变干井恒温器温度，温度间隔3℃～5℃，待 PN结与油温度一致并且稳定时，记录该温度，重复测量对应温度下三极管发射极与基极之间电压U1和对应电压U2。

重复
3.1.3步，计算出对应温度下 PN结反向饱和电流 Is。

2.2.2 曲线拟合求经验公式：对已记录的温度t和对应温度下的 PN结反向饱和电流 Is各对数据，以 t为自变量，Is为因变量，分别进行线性函数 Is＝a＋bt、乘幂函数 Is＝atb和指数函数 Is＝a exp（bt）的拟合，确定出拟合得最好的，说明其遵循那一种分布规律。

3.1 二极管反向饱和电流的测量数据及结果
室温条件下：t1＝24.10℃，t2＝23.90℃，¯t＝24.00℃。

U1、U2及结果Is见表1。

3.2 PN结反向饱和电流与温度之间关系的研究
PN结反向饱和电流与温度之间关系的研究的实验数据见表2。

对表2数据分别进行线性函数、乘幂函数、指数函数拟合，用最小二乘法处理数据，结果见表3。

由表3可知指数函数拟合的最好，也就说明PN结反向饱和电流—温度关系遵循
指数函数分布规律。

同时，可得到Is＝4.215×10－14exp（0.1539t）
4.1 该实验可精确测量 PN结反向饱和电流，得到PN结反向饱和电流—温度关系遵循指数函数分布规律。

温度对 PN结反向饱和电流影响很大，温度升高，PN结反向饱和电流会明显增大。

所以，我们经常说 PN结反向饱和电流是多大，这是不确切的，应该说温度是多少度的情况下，PN结反向饱和电流是多大。

4.2 由于温度升高，二极管反向饱和电流会明显增大，所以文献［5］中无论是硅
二极管还是锗二极管，出现多个电流数值保持不变的区段，就是由于在测量过程中，实验室室内温度变化引起的，多个电流数值保持不变的区段，就是在不同温度条件下，对应的二极管的反向饱和电流值，所以要测量某温度下二极管的反向饱和电流值，一定要注意环境温度是否变化，控制温度、快速测量。

4.3 对于扩散电流太小（起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的数据，在处理数据时应删去，因为这些数据可能偏离公式（2）。

4.4 在利用二极管反向饱和电流测量玻尔兹曼常数时，一定要注意代入对应温度下的二极管反向饱和电流值。

【相关文献】
［1］杨述武.普通物理实验（二电磁学部分）［M］.北京：高等教育出版社，1985.
［2］杨述武.普通物理实验（二电磁学部分）［M］.北京：高等教育出版社，2000.
［3］段长虹.大学物理实验［M］.广州：华南理工大学出版社，2005.
［4］孙新义.对用伏安法测二极管反向饱和电流的讨论［J］.物理实验，1989：57.
［5］杨德甫.二极管反向饱和电流取值的实验分析［J］.延安大学学报，2007，26（1）：35－37. ［6］阎石.数字电子技术基础［M］（第四版）.北京：高等教育出版社，2001.。