1、實驗題目：PN結正向壓降溫度特性的研究實驗目的：1)了解PN結正向壓降隨溫度變化的基本關系式。2)在恒流供電條彳下，測繪PN結正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其靈敏度和被測PN結材料的禁帶寬度。3)學習用PN結測溫的方法。實驗原理：理想PN結的正向電流If和壓降Vf存在如下近似關系If=Isexp(-)(1)其中q為電子電荷；k為波爾茲曼常數；T為絕對溫度；Is為反向飽和電流，它是一個和PN結材料的禁帶寬度以及溫度等有關的系數，可以證明rqVgIs=CTrexpg(2)kT其中C是與結面積、摻質濃度等有關的常數：r也是常數；Vg(0)為絕對零度時PN結材料的導帶底和價帶頂的電勢差。將(2)式

2、代入(1)式，兩邊取對數可得'kc1kTrVf=Vg(0)-InT-InTr=Vi+Vm(3)g<qIfJq其中Vi=Vg(0)-klnFTqIfVn1=-KTInTrq這就是PN結正向壓降作為電流和溫度函數的表達式。令If=常數，則正向壓降只隨溫度而變化，但是在方程(3)中，除線性項V1外還包含非線性項Vn1項所引起的線性誤差。設溫度由Ti變為T時，正向電壓由Vfi變為Vf,由(3)式可得Vf=Vg(0)Vg(0)Vfi一旦1n.lT(4)TiqTi按理想的線性溫度影響，VF應取如下形式:(6)洋品室B祥晶雁上特勃p?(慚r-酒謖元件PD、呼9I咬座卜加焦母巴-m懸電*招孔(5

3、)如1等于溫度時的空值。:TFT由(3)式可得所以VF理想二VF1.:TVFfi=Vfi(T-Ti)FTVg(0)-VfiTiVg-VFikTkV理想=Vfi+卜-r；T-Ti)=Vg(0)-Vg(0)-VFi-(T-Tir(7)_Tiq-Tiq由理想線性溫度響應(7)式和實際響應(4)式相比較，可得實際響應對線性的理論偏差為kkTTV=V理想-VF=r(T-TikLn()qqTi(8)設Ti=300k,T=3i0°k,取r=3.4*,由(8)式可得？=0.048mV,而相應的Vf的改變量約20mV,相比之下誤差甚小。不過當溫度變化范圍增大時，Vf溫度響應的非線性誤差將有所遞增，這主

4、要由于r因子所致。綜上所述，在恒流供電條件下，正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，可以改善線性度的方法大致有兩種:i、對管的兩個be結分別在不同電流Ifi,IF2下工作，由此獲得兩者電壓之差(Vfi-VF2)與溫度成線kTI性函數關系，即VFi-VF2=kTInqFiF2由于晶體管的參數有一定的離散性，實際與理論仍存在差距，但與單個PN結相比其線性度與精度均有所提高。2、利用函數發生器，使If比例于絕對溫度的r次方，則VfT的線性理論誤差為？=0。四、實驗裝置實驗系統由樣品架和測試儀兩部分組成。樣品架的結構如圖所示，其中A為樣品室，是一個可卸的筒狀金屬容器，筒蓋內設橡皮0圈蓋與筒套具相應的螺紋可

5、使用兩者旋緊保持密封,待測PN結樣管(采用3DG6晶體管的基極與集電極短接作為正級，發射極作為負極，構成一只二極管)和測溫元件(AD590)均置于銅座B上，其管腳通過高溫導線分別穿過兩旁空芯細管與頂部插座Pi連接。加熱器H裝在中心管的支座下，其發熱部位埋在銅座B的中心柱體內，加熱電源的進線由中心管上方的插孔P2引入，P2和引線(高溫導線)與容器絕緣，容器為電源負端，通過插件Pi的專用線與測試儀機殼相連接地，并將被測PN結的溫度和電壓信號輸入測試儀。測試儀由恒流源、基準電源和顯示等單元組成。恒流源有兩組，其中一組提供If,電流輸出范圍為0-100011A連續可調，另一組用于加熱，其控溫電流為0.

6、1-1A,分為十檔，逐檔遞增或減0.1A,基準電源亦分兩組，一組用于補償被測PN結在0c或室溫Tr時的正向壓降Vf(0)或Vf(Tr),可通過設置在面板上的“？V調零”電位器實現？V=0,并滿足此時若升溫，？V<0；若降溫，則？V>0,以表明正向壓降隨溫度升高而下降。另一組基準電源用于溫標轉換和校準，因本實驗采用AD590溫度傳感器測溫，其輸出電壓以1mV/k正比于絕對溫度，它的工作溫度范圍為218.2423.2°k(即-55150C),相輸出電壓為218.2423.2mV。要求配置412位的LED顯示器，為了簡化電路而又保持測量精度，設置了一組273.2mV(相當于AD

7、590在0c時的輸出電壓)的基準電壓，其目的是將上述的絕對溫標轉換成攝氏溫標。則對應于-55150C的工作溫區內，輸給顯示單元的電壓為-55150mV便可采用量程為土200.0mV的31/2位LED顯示器進行溫度測量。另一組量程為土1000mV的31/2位LED顯示器用于測量If,Vf和？V,可通過“測量選擇”開關來實現。實驗步驟：1)打開測試儀電源，將開關K撥到If,由“If調節”使憶=504。2) 將K撥到Vf,記下初始溫度T和對應Vf(0)的值。將K置于？V,由“？V調零”使？V=0。3) 開啟加熱電源，逐步提高加熱電流，當？V每改變10mV讀取一組？V、T,記錄18組實驗數據。4)關閉

8、加熱電流，在降溫條件下重復上述操作，記錄數據。5)整理實驗儀器。數據處理與誤差分析：實驗測量數據如下：實驗起始溫度Ts=26.0C工作電流If=50A起始溫度為Ts時的正向壓降*(TO=609mV？V/mv升溫過程TC降溫過程TC-1030.129.9-2034.134.2-3038.638.3-4042.842.3-5047.146.5-6051.450.7-7055.654.9-8059.959.1-9064.163.4-10068.367.6-11072.471.9-12076.776.1-13080.980.4-14085.184.7-15089.289.0-16093.593.2-1

9、7097.797.4-180102.0102.0表一：實驗數據表利用ORINGIN,將升溫和降溫過程分別作圖:升溫過程AV-T曲線:ALinearFitofAAV-T曲線AB|cD1Equationy=a+b*x2Adj.R-Square0.999983ValueStandardError4AIntercept61,379570.169825ASlope-2.366280.0025圖像數據降溫過程AVT曲線:«ALinearFitofA=200-I|1I1|1I2040008。100T/QCAVT曲線ABc|D1Equationy=a+b*x2Adj.R-Square0.999943

10、ValueStandardError4AIntercept60,083340.306925ASlope-2.362470.00443圖像數據由上圖數據可知：升溫時AV-T曲線的斜率為-2.36628,其誤差為0.0025,而相關系數為0.99998降溫時AV-T曲線的斜率為-2.36247,其誤差為0.00443,而相關系數為0.99994兩次所作圖像的相關系數都非常接近1,說明數據較好。在升溫過程中PN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度禁帶寬度Eg(Ts)=Vgv=VF(TS)-ST=0S=-2.36628±0.0025mV/C.609(-2.36628)(-273.2)/1000V=1

11、.255V與公認值1.21比較有|Eg(Ts)-E(Ts)|1.255-1.21|=3.7%E(Ts)E(Ts)1.21在降溫過程中PN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度S=-2.36247±0.00443mV/C禁帶寬度Eg(Ts)=Vgv=Vf(Ts)S：T=0.609(2.36247)(-273.2)/1000(=1.254V與公認值1.21比較有-JEg(Ts)-E(Ts)lJ1.254-1.21L3.6%E(Ts)E(Ts)1.21誤差分析：升溫和降溫過程得到的靈敏度、禁帶寬度很接近，但由于實驗過程中溫度變化比較快，不能準確記錄溫度,使得禁帶寬度與公認值差距較大，同時溫度的測量精度比較低也增大了誤差。思考題：1 .測Vf(0)或Vf(Tr)的目的何