大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用

大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用得分教师签名批改日期

深圳大学实验报告

课程名称: 大学物理实验(三)

实验名称: pn结的温度特性的研究及应用

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一、实验设计方案

1、实验目的

了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。

在工作电流恒定的情况下，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。

设计用PN结测温的方法。

2、实验原理

2.1 、PN结正向压降和工作电流、及所处的温度的关系:

PN 结正向压降和工作电流、及所处的温度的基本函数关系如下:

,,KcKT, ----------(1) 0lnlnVVTTVV,,,,，，，，，,,FgLNLqIqF,,

其中: 导带

,19q,，1.610C，为电子的电荷。禁带

EeV,gF-23-1,K=1.38×10JK，为玻尔兹曼常数，

价带T――绝对温度。

图1 半导体的能带结I――PN结中正向电流。 f

构γ 是热学中的比热容比，是常数。

V(0)是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。(半导体材料的能带理论中，把未g

排满电子的能量区域称作价带，空着的能量区域叫导带，不能排列电子的能量区域叫禁带，如图1所示。E叫禁带宽度.) g

,,KTKc,,lnVT 其中，是线性项。是非线性相。 0lnVVT,,，，，，

NL,,LgqqIF,,

非线性项较小，(常温下)可忽略其影响，在恒流供电条件下PN结的V对T的依赖关系F取决线性项，即正向压降几乎随温度升高而线性下降。

2.2、PN结测温的方法

如果PN结正向压降在某一温度区域和温度变化恒定电流I F成线性关系，就可以利用这一特性将它作为温度传感器的

转换探头，原理如图2所示。将PN结做成的温度探头放在待温度显示结电压V F测环境中，通以恒定电流，温度变化可以引起结电压变化，图2 PN结测温原理测量结电压，将它转换成温度显示，从而达到测量温度的

目的。

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在计算机实测实验过程中。将电压转换成温度显示是很简单的，只需作一个计算就可以了。 2.3、实验装置:

温度传感器

恒流源2 加热装置

PN结恒流源1

750数据接口

加热装置的铜质底座

(其上有两个小洞，计算机及数据处理软件Datasdudio

将PN结和温度传感

器探头分别放入。图3 实验装置示意图

3选用仪器

仪器名称型号主要参数用途

CI7650 750接口阻抗1 MΩ。最大的有效输入电压范围?10 V 数据采集处理数据采集平台、CI6874 计算机和DataStudio ——数据处理温度传感器 DH-PN-1 测温范围:-20~150 测温

CI6503 电压传感器电压范围:?10 V AC/DC 数据采集

JDGS061 提供PN结三极管

加热装置————加热

二、实验内容及具体步骤:

1、测绘PN结正向压降随温度变化曲线。

1.1打开DataStudio 软件，创建一个新实验。

1.2在DataStudio 软件的窗口中设置750接口的传感器连接，并设置采样率。

1.3在DataStudio 软件的窗口打开一个图表。

IA,50,1.4给PN结通以的恒定电流; F

1.5给加热装置接通用800mA的电流加热(保持连接，但先不接通);

1.6 接通加热电流的同时在DataStudio 软件窗口中启动数据采集。 2、用PN 结测温的应用一例:测量加热装置(铜底座的自然冷却规律)

仅以此例说明PN结可作为测温元件。

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1.1在上述实验完成后，在DataStudio 软件的窗口打开一个图表。

IA,50,1.2给PN结通以的恒定电流; F

1.3用PN结作为测检测温度的探头，启动实验，测量铜底座的自然冷却规律。

1.4用电压传感器测量PN结的正向压降。得到自然冷却过程中PN结的正向压降随时间的变化规律。

1.5在DataStudio中作一个计算，将PN结的正向压降转换成温度，也就是将电压传感器测量PN结的正向压降V作如下计算: F

三、数据记录及数据处理

1、测绘PN结正向压降随温度变化曲线。

图4:PN结正向压降随温度变化曲线

注:上图中通道A的电压就是PN结的正向结电压

2、测绘PN结正向结电压降对温度变化的灵敏度计算:

由图1数据可得PN正向结电压降对温度变化的灵敏度为

,VV -----(2) k,,,0.00215,t

上式的物理意义:在工作电流为50μA的条件下，温度每升高1?，PN正向结电压将降低2.15mV。

PN正向压降和温度的关系是:

Vt,,0.6940.00215 -----(3) F

3、禁带宽度的计算:

导带底和价带顶的电势差:

Vt(0)0.6940.00215,,，F

0.6940.00215(273.2)1.27V,,，,,

EgeVe,,(0)1.27V 禁带宽度 : F

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硅管禁带宽度公认值为: Ege,,1.21V

,E0.06和公认值的相对差为: ,,,0.0505.0%E1.21

误差主要来源:所用的温度传感器在使用前需要校对，这需要打开仪器盖调线路板的电位器，由于时间和条件限制，没有做这个工作。

4、铜底座的自然冷却规律

实验1中用来加热PN结的铜底座,让它在室温24?时开始自然冷却,用电压传感器记录PN结的压降,同时用温度传感器记录温度, 得到图5和图6。