PN结正向压降与温度关系的研究实验报告内容详细.docx

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PN结正向压降与温度关系的研究实验报告内容详细

PN结正向压降与温度关系的研究实验报告

班级：

材物41姓名：

禇雨婷学号：

2140906001

一、实验目的

（1）了解PN结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN结

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

1．PN结

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

与正向电压

满足以下关系

=

（exp

-1）⑴

式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，

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exp

》,1上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有

⑵

这就是PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN结的

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

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

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.、表面电流等。

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。

若选取性能良好的硅三极管，使它处于较低的正向偏置状态，则表面电流的影响可忽略。

此时集电极电流与发射极—基极电压满足⑵式，可验证该式，求出准确的e/k常数。

2．PN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

有如下关系

⑶

⑶式中，r是常数，C是与结面积、掺杂浓度等有关的参数，将⑶式代⑴式后两边取对数得

⑷

其中

⑷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基本方程。

若保持正向电流恒定即

常数，则正向压降只随温度变化，显然，⑷式中除线性项

外还含有非线性项

，但可以证明当温度变化范围不大时（对硅二极管来说，温度范围在-50℃-150℃）

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

对环境温度T的依赖关系主要取决于线性项

，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、本征激发可以忽略的温度区间。

若温度过高或过低（不在上述温度范围），则随着杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，

关系的非线性变化将更为严重，说明

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范围内，其线性度随温度的高低也有所不同，这是非线性项

引起的。

由⑷式可以看出，减小

，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

下工作，得到两者电压差

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⑷式，略去非线性，可得

Vg=VF（0）+VF（0）ΔT/T=VF（273.2）+S·ΔT（5）

ΔT=-273.2ºK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。