实验十三PN结特性的研究和应用.docx
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实验十三PN结特性的研究和应用
实验十三---PN结特性的研究和应用
12级电科专业《专业实验》安排表（2015下半年）
内容
班级
太阳能电池特性研究
黄瑞强
PN结特性
叶会亮
导热系数
罗飞
二阶电路
邹文强
电源特性
邹文强
声光电路
黄瑞强
数字万用表
刘燕勇
光电传感器
刘志勇
电科121
12周3
202
8周3
101
11周3
205
9周3
103
16周3
103
15周3
207
13周3
205
10周3
303
电科122
13周3
202
9周3
101
12周3
205
8周3
103
15周3
103
16周3
207
14周3
205
11周3
303
说明：
14周3（上课时间为第14周星期3；上课地点为物理实验室103教室。
）
103
每一时间段实验为4学时，下午上课时间：
14:
30-17:
30
每次实验上课前需认真预习相关实验内容并写好预习报告
每位学生准备8张16开实验报告纸，8张32开原始记录纸。
讲义份数：
导热系数？
份,电源特性？
份,声光电路？
份。
所开设实验的房间管理由各位老师自己承担。
理学院物理实验室
2015.09.06
实验十三PN结特性的研究和应用
PN结作为最基本的核心半导体器件，得到了广泛的应用，构成了整个半导体产业的基础。
在常见的电路中，可作为整流管、稳压管；在传感器方面，可以作为温度传感器、发光二极管、光敏二极管等等。
所以，研究和掌握PN结的特性具有非常重要的意义。
PN结具有单向导电性，这是PN结最基本的特性。
本实验通过测量正向电流和正向压降的关系，研究PN结的正向特性：
由可调微电流源输出一个稳定的正向电流，测量不同温度下的PN结正向电压值，以此来分析PN结正向压降的温度特性。
通过这个实验可以测量出玻尔兹曼常数，估算半导体材料的禁带宽度，以及估算通常难以直接测量的极微小的PN结反向饱和电流；学习到很多半导体物理的知识，掌握PN结温度传感器的原理。
【实验目的】
1、测量同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；
2、在同一恒定正向电流条件下，测绘PN结正向压降随温度的变化曲线，确定其灵敏度，估算被测PN结材料的禁带宽度；
3、学习指数函数的曲线回归的方法，并计算出玻尔兹曼常数，估算反向饱和电流；
4、探究：
用给定的PN结测量未知温度。
【实验原理】
一、PN结的正向特性
理想情况下，PN结的正向电流随正向压降按指数规律变化。
其正向电流IF和正向压降VF存在如下近关系式：
（1）
其中q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；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有关的系数，可以证明：
（2）
其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数，r也是常数（r的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取r=3.4）；Vg（0）为绝对零度时PN结材料的带底和价带顶的电势差，对应的qVg（0）即为禁带宽度。
将
（2）式代入
（1）式，两边取对数可得：
（3）
其中
方程（3）就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN结温度传感器的基本方程。
令IF=常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中还包含非线性顶Vn1。
下面来分析一下Vn1项所引起的非线性误差。
设温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF，由（3）式可得
（4）
按理想的线性温度响应，VF应取如下形式
（5）
等于T1温度时的
值
由（3）式求导，并变换可得到
（6）
所以
=
（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:
△=V理想-VF=
（8）
设T1=300°K，T=310°K，取r=3.4,由（8）式可得△=0.048mV，而相应的VF的改变量约为20mV以上，相比之下误差△很小。
不过当温度变化范围增大时，VF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，在恒流小电流的条件下，PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这也就是PN结测温的理论依据。
二、求PN结温度传感器的灵敏度，测量禁带宽度
由前所述，我们可以得到一个测量PN结的结电压VF与热力学温度T关系的近似关系式：
（9）
式中S（mV/℃）为PN结温度传感器灵敏度。
用实验的方法测出VF-T变化关系曲线，其斜率△VF/△T即为灵敏度S。
在求得S后，根据式（9）可知
（10）
从而可求出温度0K时半导体材料的近似禁带宽度
＝
。
硅材料的
约为1.21eV。
必须指出，上述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（对于通常的硅二极管来说，温度范围约-50℃-150℃）。
如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加，VF—T关系将产生新的非线性，这一现象说明VF—T的特性还随PN结的材料而异，对于宽带材料（如GaAs，Eg为1.43eV）的PN结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小（如Insb）的PN结，则低温端的线性范围宽。
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，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性项Vn1引起的，由Vn1对T的二阶导数
可知，
的变化与T成反比，所以VF—T的线性度在高温端优于低温端，这是PN结温度传感器的普遍规律。
此外，由（4）式可知，减小IF，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法大致有两种：
1、利用对管的两个PN结（将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN结），分别在不同电流IF1、IF2下工作，由此获得两者之差（IF1-IF2）与温度成线性函数关系，即
VF1-VF2=
（11）
本实验所用的PN结也是由三极管的cb极短路后构成的。
尽管还有一定的误差，但与单个PN结相比其线性度与精度均有所提高。
2、采用电流函数发生器来消除非线性误差。
由（3）式可知，非线性误差来自Tr项，利用函数发生器，IF比例于绝对温度的r次方，则VF—T的线性理论误差为△=0。
实验结果与理论值比较一致，其精度可达0.01℃。
三、求波尔兹曼常数
由式（11）可知，在保持T不变的情况下，只要分别在不同电流IF1、IF2下测得相应的VF1、VF2就可求得波尔兹曼常数k。
（12）
为了提高测量的精度，也可根据式
（1）指数函数的曲线回归，求得k值。
方法是以公式
的正向电流IF和正向压降VF为变量，根据测得的数据，用Excel进行指数函数的曲线回归，求得A、B值，再由A=Is求出反向饱和电流，
求出波尔兹曼常数k。
【实验内容与步骤】
实验前，请参照仪器使用说明，将DH-SJ型温度传感器实验装置上的“加热电流”开关置“关”位置，将“风扇电流”开关置“关”位置，接上加热电源线。
插好Pt100温度传感器和PN结温度传感器，两者连接均为直插式。
PN结引出线分别插入PN结正向特性综合试验仪上的+V、-V和+I、-I。
注意插头的颜色和插孔的位置。
打开电源开关，温度传感器实验装置上将显示出室温TR，记录下起始温度TR。
1、测量同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；
为了获得较为准确的测量结果，我们在仪器通电预热10分钟后进行实验。
先以室温为基准，测整个伏安特性实验的数据。
首先将PN结正向特性综合试验仪上的电流量程置于×1档，再调整电流调节旋钮，观察对应的VF值应有变化的读数。
可以按照表1的VF值来调节设定电流值，如果电流表显示值到达1000，可以改用大一档量程，记录下一系列电压、电流值于表1。
由于采用了高精确度的微电流源，这种测量方法可以减小测量误差。
注意，在整个实验过程中，都是在室温下测量的。
实际的VF值的起、终点和间隔值可根据实际情况微调。
有兴趣的同学也可以再设置一个合适的温度值，待温度稳定后，重复以上实验，测得一组其他温度点的伏安特性曲线。
2、在同一恒定正向电流条件下，测绘PN结正向压降随温度的变化曲线，确定其灵敏度，估算被测PN结材料的禁带宽度；
选择合适的正向电流IF，并保持不变。
一般选小于100μA的值，以减小自身热效应。
将DH-SJ型温度传感器实验装置上的“加热电流”开关置“开”位置，根据目标温度，选择合适的加热电流，在实验时间允许的情况下，加热电流可以取得小一点，如0.3～0.6A之间。
这时加热炉内温度开始升高，开始记录对应的VF和T于表2。
为了更准确地记数，可以根据的变化，记录T的变化。
注意：
在整个实验过程中，正向电流IF应并保持不变。
设定的温度不宜过高，必须控制在120℃以内。
3、计算玻尔兹曼常数,学习用EXECL进行指数函数的曲线回归的方法。
直接计算法：
对表1测得的数据，用公式（12），计算出玻尔兹曼常数k=。
曲线拟合法：
借用Excel程序拟合指数函数。
以公式
的正向电流IF和正向压降VF为变量，根据表1测得的数据，以VF为x轴数据，IF为y轴数据，用Excel进行指数函数的曲线回归，求得A、B值，再由A=Is，估算出反向饱和电流；
，求出波尔兹曼常数k。
Excel中自动拟合曲线的方法：
1）在Excel中将选中需要拟合的正向电压和正向电流数据，依次点击Excel程序菜单插入——图标——标准类型——xy散点图——子表类型——无数据点平滑散点图——下一步，出现数据区域、系列选项，在数据区域选项中，可根据实际的数据区域的排列，选择行或列；在系列选项中可填入不同系列的代号，如该曲线测量时的温度值；点击下一步，出现图标选项，在标题项中，可填入图标标题、数值（X）轴、数值（Y）轴内容，如PN结伏安特性、正向电压（V）、正向电流（μA），在网格线项中，可选择主要网格线、次要网格线；点击下一步，可完成曲线的图表绘制。
完成后的图标，如果需要更改，还可以继续设置。
双击图标区域，在弹出的绘图区格式中，可以选择绘图区的背景色；双击坐标轴，在弹出的坐标轴格式框中，可设置坐标轴的刻度、起始值等，可根据需要自行设置。
完成以上设置后，在已产生图表中，右键单击数据曲线，在右键菜单中，选择添加趋势线，在类型菜单中选择要生成曲线的类型，这里选择指数（X），在选项菜单中选中显示公式、显示R平方值点击确定即可显示公式。
右键点击公式，点击数据标志格式，选择数字栏的科学计数，小数位数选择3位，点击确定，即可根据此公式可求出：
A=，B=，相关系数
=。
估算反向饱和电流Is=A=，波尔兹曼常数
=。
4、求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV/K）。
以T为横坐标，VF为纵坐标，作VF—T曲线，其斜率就是S。
这里的T单位为K。
用Excel对VF—T数据按公式
进行直线拟合，方法同前，参数可重新设定，建议X轴坐标起始点选270K。
在添加趋势线时，在类型菜单中选择线性（L）即可。
根据得到的公式，可求出：
A=，B=，相关系数
=。
（1）斜率，即传感器灵敏度S＝A=__________
;
（2）截距Vg（0）=B=__________V（0K温度）；
5、估算被测PN结材料的禁带宽度。
1）由前已知，PN结正向压降随温度变化曲线的截距B就是
的值。
也可以根据公式（10）进行单个数据的估算，，将温度T和该温度下的VF代入
即可求得
，注意T的单位是K。
2）将实验所得的Eg（0）=qVg（0）=电子伏，与公认值Eg（0）=1.21电子伏比较，并求其误差。
*6、探究：
用给定的PN结测量未知温度。
实验使用的PN结传感器可以方便地取出。
根据实验原理，结合实验仪器，将该PN结制成温度传感器，试用其测量未知的温度。
具体过程请自行设定。
PN结特性的研究和应用
数据原始记录纸
姓名学号班级
表1同一温度下正向电压与正向电流的关系T=℃
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
VF/V
0.350
0.360
0.370
0.380
0.390
0.400
0.410
0.420
IF/μA
序号
9
10
11
12
13
14
15
16
VF/V
0.430
0.440
0.450
0.460
0.470
0.480
0.490
0.500
IF/μA
序号
17
18
19
20
21
22
23
24
VF/V
0.510
0.520
0.530
0.540
0.550
0.560
0.570
0.580
IF/μA
表2同一IF下，正向电压与温度的关系IF=μA
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
T/℃
VF/V
序号
9
10
11
12
13
14
15
16
T/℃
VF/V
序号
17
18
19
20
21
22
23
24
T/℃
VF/V
教师签名：
实验日期：
升级会员 