PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究試驗報告

1、PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究實驗報告班級：材物41:褚雨婷學(xué)號：2140906001一、實驗?zāi)康模?）了解PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系，測定PN結(jié)山一匕特性曲線 及玻爾茲曼常數(shù)；（2）測繪PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的關(guān)系曲線，確定其靈敬度及PN結(jié)材料 的禁帶寬度；（3）學(xué)會用PN結(jié)測量溫度的一般方法。二、實驗儀器SQ-J型PN結(jié)特性測試儀，三極管（3DG6）,測溫元件，樣品支架等。三、實驗原理1. PN結(jié)。一*特性及玻爾茲曼常數(shù)k的測量：由半導(dǎo)體物理學(xué)中有關(guān)PN結(jié)的研究可以得出PN結(jié)的正向電流與正向電壓 滿足以下關(guān)系/宀（exp聳T）kT式中e為電子電荷量、k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫

2、度，人為反向飽和電流， 它是一個與PN結(jié)材料禁帶寬度及溫度等因素有關(guān)的系數(shù)，是不隨電壓變化的常數(shù)。 由于在常溫（300K）下，kT/q二0.026,而P結(jié)的正向壓降一般為零點兒伏，所以 exp乞，1上式括號的第二項可以忽略不計,于是有kT這就是陀結(jié)正向電流與正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化的關(guān)系，若測得半導(dǎo)體陀結(jié)的“一汗關(guān)系值，則可利用上式以求出e/kT.在測得溫度T后，就可得到e/k常數(shù)，將電子電量代入即可求得玻爾茲曼常數(shù)ko在實際測量中，二極管的正向。一*關(guān)系雖能較好滿足指數(shù)關(guān)系，但求得的k 值往往偏小，這是因為二極管正向電流-中不僅含有擴散電流，還含有其它電流 成份。如耗盡層復(fù)合電流.、表面電流等

3、。在實驗中，釆用硅三極管來代替硅二極管, 復(fù)合電流主要在基極出現(xiàn)，三極管接成共基極線路（集電極與基極短接），集電極 電流中不包含復(fù)合電流。若選取性能良好的硅三極管，使它處于較低的正向偏置狀 態(tài)，則表面電流的影響可忽略。此時集電極電流與發(fā)射極一基極電壓滿足式，可 驗證該式，求出準確的e/k常數(shù)。2. PN結(jié)材料禁帶寬度的測量：山物理學(xué)知，PN結(jié)材料禁帶寬度是絕對零度時PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價帶頂間的電勢差人（）有如下關(guān)系叫(0)kT式中，r是常數(shù)，C是與結(jié)面積、摻雜濃度等有關(guān)的參數(shù)，將式代式后 兩邊取對數(shù)得其中kT二InTr式即為陀結(jié)正向壓降、正向電流和溫度間的函數(shù)關(guān)系，它是陀結(jié)溫度傳感 器工作的

4、基本方程。若保持正向電流恒定即二常數(shù)，則正向壓降只隨溫度變化, 顯然，式中除線性項勺外還含有非線性項匕/,但可以證明當溫度變化圉不大時 （對硅二極管來說，溫度圍在-50C-150C） %”引起的誤差可忽略不記。因此在恒 流供電條件下，PN結(jié)的正向壓降匕對環(huán)境溫度T的依賴關(guān)系主要取決于線性項* , 即陀結(jié)的正向壓降隨溫度升高而線性下降，這就是P結(jié)測溫的依據(jù)。但必須指出, 這一結(jié)論僅適用于雜質(zhì)全部電離、本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間。若溫度過高或過 低（不在上述溫度圍），則隨著雜質(zhì)電離因子減少或本征載流子迅速增加，VT 關(guān)系的非線性變化將更為嚴重，說明*一廠特性還與PN結(jié)的材料有關(guān)。實驗證明, 寬帶材

5、料（如GaAs）構(gòu)成的PN結(jié)，其高溫端線性區(qū)寬，而材料（如Insb）雜質(zhì)電 離能小的P結(jié)，其低溫端的線性區(qū)寬，對于給定的P結(jié)，即使在雜質(zhì)導(dǎo)電和非本 征激發(fā)溫度圍，其線性度隨溫度的高低也有所不同，這是非線性項匕/引起的。山 式可以看出，減小，可以改善線性度，但這不能從根本上解決問題，tl前行 之有效的方法是利用對管的兩個be結(jié)（即三極管基極和集電極短路后與發(fā)射機組 成一個PN結(jié)）分別在不同電流1F2下工作，得到兩者電壓差少川-匕2）與溫度 間的線性關(guān)系：e JF2使之與單個p結(jié)相比線性度與精度有所提高。將這種電路與恒流、放大等電路集 成一體，便構(gòu)成集成電路傳感器。根據(jù)式，略去非線性，可得V5 二

6、 Vf（O）+V,O） AT/T二Vf（273. 2）+S AT（5） T二-273. 2K為攝氏溫標與開爾文溫標之差，S為正向壓降隨溫度變化靈墩度。四、實驗裝置實驗用具山樣品架和測試儀兩部分構(gòu)成，樣品架結(jié)構(gòu)如圖所示，其中A為樣品室。 待測樣品PN結(jié)管是將三極管3DG6的基極與集電極短接后作為正極，其發(fā)射極作為負 極構(gòu)成的一只二極管，它和測溫元件(AD590)均置于銅座B上，待測PN結(jié)的溫度和電 壓信號輸入測試儀。測試儀山恒流源，基準電源和顯示單元等組成。測量電路的框圖如下圖所示。D待測的陀結(jié)。恒流源1提供S電流輸出在(P1000A圉連續(xù)可調(diào)，恒流源2用于加 熱，控溫電流為0. 1-1A,分為

7、十檔,每檔改變電流0.1A o可根據(jù)不同的升溫速度要P2O求選擇檔位?；鶞孰娫粗饕糜凇癆V”的調(diào)零。A-樣胎室B-樣見座D-待測PN結(jié)T-測溫元件P1-D、T引線座H-加熱器P2-加熱電源插孔圖1樣品架結(jié)構(gòu)舊樣品室圖2.測量電路框圖五、實驗容1. 測量玻爾茲曼常數(shù)k在一定溫度的條件下，測量“一*的關(guān)系曲線，實驗可在室溫下進行。2. 測量PN結(jié)材料禁帶寬度將“測量選擇”開關(guān)K撥到4 ,調(diào)節(jié)4 =50 UA,將K撥到 ,記下起始溫度Ts 時的Vf(TJ值，再將K置于AV,調(diào)節(jié)使AV=0o測定AV-T關(guān)系曲線：打開電源開關(guān)，逐步提高加熱電流，測量AV所對應(yīng)的T 值，AV每變化10mV記錄T的值。測

8、量時應(yīng)注意，升溫速度不要太快，溫度不宜過高 120Co六、數(shù)據(jù)記錄和處理1. 求波爾茲曼常數(shù)k室溫 Lf19. 2C表1 玻爾茲曼常數(shù)k的測量Ir ( HA)01234Vr (mV)378151507516526Ir ( UA)567S9Vr (mV)530536541544548Ir ( UA)1020301050Vr (mV)552569579586592Ir ( nA)6070SO90100Vr (mV)597601601607610用MATLAB將、耳數(shù)據(jù)按指數(shù)函數(shù)擬合出方程。代碼：1=1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;V

9、=454 507 516 526 530 536 541 544 548 552 569 579 586 592 597 601 604 607 610;I=I/10A6;V=V/10A3;Cftool利用自帶擬合工具Cftool進行擬合。結(jié)果為:K 10IFVF關(guān)系團00.460.480.50.520 64 O.K 0.580.6正向電JVF(VJo 98 7 6 6 4 3 gu.w旺叵2General model Expl:f (x) = a*exp(b*x)Coefficients (with 95% confidence bounds):a =8.923e-014(-3335e-01

10、4, 2.118e-013)b =34.1(31.81, 36.38)Goodness of fit:SSE: 1.025e-010R-square: 0.9949Adjusted R-square: 0.9946RMSE: 2.455e-006處理數(shù)據(jù)得：e/kT =34. 1,則k 幀滬 1 6*10=19/(273. 15+21. 3)*34. 1=1. 33*10=23k孔實他二E = k -k gm | / 二11 33-1. 38 /l. 38=3. 6%2. 測PX結(jié)硅材料的禁帶寬度起始溫度Ts=19. 3C,正向壓降VF (Ts) =592mV,將測量的數(shù)據(jù)記入表2中。表2禁帶

11、寬度Ve的測量A V (mV)0IO2030405060708090100T (C)19. 323.828.232.737.341.646. I50.655.059.363.8用MATLAB作AV-T關(guān)系曲線，求該直線的斜率S。代碼：dV=O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;T=19.3 23.8 28.2 32.7 37.3 41.6 46.1 50.6 55.0 59.3 63.8; Cftool利用自帶擬合工具Cftool進行擬合。結(jié)果為：100dV-T關(guān)系圖2090807060504030201005550454C汨m5330526Linear model

12、 Polyl:f(x) = pl*x + p2Coefficients (with 95% confidence bounds):pl =2.247 (2.239, 2.256)p2 =-43.5 (-43.87, -43.13)Goodness of fit:SSE： 0.2731R-square: 1Adjusted R-square: 1RMSE: 0.1742處理數(shù)據(jù)得：S二-2. 247Ve(0)=VF(0)+VF(0) AT/T=Vf(273. 2) +S* AT=5922. 247 (-273. 2+19. 3)=1162mV=l. 16V則在室溫19. 3C下測得的PN結(jié)禁帶寬度：E8(0)=eVB(0)=l. 16eV七. 實驗感受及收獲：通過這次的實驗，我了解了 PN結(jié)正向電流和正向壓降