在测量pn结正向压降和温度的变化关系时,温度高时△v-t线性好,还是温度低好

在测量pn结正向压降和温度的变化关系时,温度高时△v-t线性好,还是温度低好

低温好,高温影响测量结果
PN
结正向压降与温度关系的研究
从二十世纪六十年代起开始发展的
PN
结传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体小轻巧等特
点,
尤其在温度数字化、
温度控制以及微机进行温度实时讯号处理等方面有很强的相对优势.
常用的温
度传感器有热电偶、
测温电阻器和热敏电阻等,
它们根据各自的特点分别适用于不同的场合.
本实验是
为介绍
PN
结温度传感器的工作原理而设置的,是集电学和热学为一体的综合性实验.

一、实验目的

1
．了解
PN
结的正向压降随温度变化的基本关系.

2
．测绘恒流时
PN
结的正向压降随温度变化的关系曲线,并由此确定其灵敏度和被测
PN
结材料
的禁带宽度.

3
．学习用
PN
结测温的方法.

二、实验原理

1．
PN
结
现代技术是和半导体的应用分不开的,
常用半导体材料有硅和锗.
硅和锗是
4
价元素,
当在硅或锗
中掺入
5
价元素
(
如磷、砷
)
的原子时,半导体中的自由电子数大大超过缺少电子的空穴数,这种半导体
就称为电子型半导体,也叫
N
型半导体；当在硅或锗中掺入
3
价元素
(
如铝、铟
)
的原子时,半导体中的
空穴数大大超过电子数,这种半导体就称为空穴型半导体,也叫
P
型半导体.如果在一块半导体的两
部分分别掺以
3
价和
5
价元素的原子,便形成
P
型半导体和
N
型半导体,在
P
型和
N
型半导体的接界
处就形成了
PN
结.

2.
PN
结的测温原理
PN
结重要的独特性能是它只允许单向电流通过.如图
7.11
（
a
）所示,将
PN
结的
P
区连接电源正
极,
N
区连接电源负极时
(
这种联结
叫做正向偏置
)
,即电压为正向电压
时,
在
PN
结中就形成了正向电流
I
F
,
正向电流随正向电压的增大而迅速
增大；如果像图
7.11(b)
那样,将
PN
结的
P
区与电源负极相连,
N
区与电
源正极相连时
(
这种联结叫做反向偏置
)
,即电压为反向电压时,在
PN
结中则产生微弱的反向电流,这
微弱反向电流随着反向电压的增大而很快达到饱和,称为反向饱和电流
I
m
.由此可见,
PN
结只有在正
向偏置时才有电流通过,这就是
PN
结的单向导电性.

理想的
PN
结正向电流
I
F
和压降
V
F
存在如下近似关系


⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
KT
qV
I
I
F
m
F
exp











（
1
）

式中,
q
为电子电量,
K
=1.38×10
－
23
J•K
-1
为玻尔兹曼常数,
T
为热
力学温度,
I
m
为反向饱和电流,它的大小

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
=
KT
qV
CT
I
g
m
)
0
(
exp
γ








（
2
）

其中
C
是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数；
γ
是热学
中的比热比,也是一个常数；
V
g
(0)
是热力学温度
T
=0
时,
PN
结材料的能带结构中,它的导带底、价带
顶之间的电势差
——
半导体材料的能带理论中,
把有电子存在的能量区域称作价带,
空着的能量区域叫
导带,而电子不能存在的能量区域叫禁带,如图
7.12
所示.

E
图
7.12
半导体的能带结构

导
带
价
带
禁带
F
g
eV
E
=
(a)




























(b)
图
7.11 PN
结的正向偏置和反向偏置

P
N
I
F

V
F

P N
V
F

将式
(2)
带入式
(1)
,两边取对数可得




1
1
)
(ln
ln
)
0
(
n
F
g
F
V
V
T
q
KT
T
I
C
q
K
V
V
+
=
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
γ





















（
3
）

其中,
T
I
C
q
K
V
V
F
g
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
ln
)
0
(
1
,
)
(ln
1
γ
T
q
KT
V
n
−
=
.式
(3)
是
PN
结温度传感器的基本方程.当正向电流
I
F
为
常数时,
V
1
是线性项,
V
n
1
是非线性项,这时正向压降只随温度的变化而变化,但其中的非线性项
V
n
1
引起的非线性误差很小
(
在室温下,
γ
=1.4
时求得的实际响应对线性的理论偏差仅为
0.048mV)
.因此,
在恒流供电情况下,
PN
结的正向压降
V
F
对温度
T
的依赖关系只取决于线性项
V
1
,即在恒流供电情况
下,正向压降
V
F
随温度
T
的升高而线性地下降,这就是
PN
结测温的依据.我们正是利用这种线性关
系来进行实验测量.

必须指出,上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间,
对最常用的硅二极管,温度范围约为
-50
℃
—150
℃,若温度超出此范围,由于杂质电离因子减小或本征
激发的载流子迅速增加,
V
F
—
T
的关系将产生新的非线性.更为重要的是,对于给定的
PN
结,即使在
杂质导电和非本征激发的范围内,其线性度也会随温度的高低有所不同,非线性项
V
n
1
随温度变化特征
决定了
V
F
—
T
的线性度,使得
V
F
—
T
的线性度在高温段优于低温段,这是
PN
结温度传感器的普遍规
律.
同时从式
(1)
、
(2)
、
(3)
可以看出,
对给定的
PN
结,
正向电流
I
F
越小非线性项越小,
这说明减小
I
F

,
可以改善线性度.在实验中
I
F
取
50
μА
即可.

三、实验仪器

TH—J
型
PN
结




V
F
—T
特性实验仪等.





1.样品室
实验系统由样品室和测试仪两部分组成.样品室的内部结构如图
7.13
所示,样品室是一个可卸的
筒状金属容器筒盖,内设橡皮圈盖与筒套具
有相应的螺纹,可使两者旋紧保持密封.待
测的
PN
结样管
(
采用
3DG6
晶体管的基极与
集电极短接作为正极,发射极作为负极,构
成一只二极管
)
和测温元件（
AD590
）均置于
铜座上,其管脚通过高温导线分别穿过两旁
空心细管与顶部插座
P1
连接.
加热器装在中
心管的支座下,其发热部位埋在铜座的中心
柱体内,加热电源的引线由中心管上方的插
空
P
2
引入,
P
2
和引线
(
外套瓷管
)
与容器绝缘,
容器为电源负端,
通过插件
P
1
的专用线与测试
仪机壳相连接地,并将被测
PN
结的温度和电
压信号输入测试仪.

2.测试仪
测试仪由恒流源、
基准电源和显示器等单
元组成,
如图
7.14
所示.
恒流源有两组,
一组
提供
I
F
,电流输出范围为
0
～
1000
μА
连续可
调,另一组用于加热,其控温电流为
0.1A
～
1A
,分为十档,逐档递增或递减
0.1A
；基准
电源亦分两组,
一组用于补偿被测
PN
结在
0
℃
或室温
T
R
时的正向电压
V
F
(0)
或
V
F
(
T
R
)
,可以
通过设置在仪器面板上的
“
Δ
V
调零
”
电位器旋
图
7.14
测量原理框图

图
7.13
实验系统结构图

①样品室

②样品座

③待测
PN
结

④加热器

⑤测温元件

P2
：加热电源插孔

P1
：
DsT
引线座

⑤
①
②
③
④
P1

P2

钮实现
Δ
V
=0
,并满足此条件时若升温,
Δ
V
0
,以表明正向压降随温度升高而下降.
另一组基准电源用于温度转换和校准,因本实验采用
AD590
温度传感器测温,它的输出电压以
1mV/K
正比于热力学温度,它工作的温度范围为
-55
℃～
150
℃,相应的输出电压为
218.2
～
423.2mV
.为了将
输出电压显示在仪器面板上,要求配置
9/2
位的
LED
显示器,另外,为了简化电路而又保持测量精度,
设置了一组
273.2mV
的基准电压,
其目的是为了将上述的热力学温标转换成摄氏温标,
即对应于
-55
℃～
150
℃的工作温区内,输给显示单元的电压为
-55
～
150mV
.另一组量程为
±1000mV
的
7/2
位
LED
显示
器用于测量
I
F
、
V
F
和
Δ
V
,可以通过
“
测量选择
”
开关来实现.测试仪面板上设有
V
F
(
温度数字量
)
和
Δ
V
的输出,
DAGD
供
XY
函数记录仪使用.在图
7.14
所示的测量原理图中,
D
S
为待测
PN
结；
R
S
为
I
F
的
取样电阻；开关
K
起测量选择与极性转换作用,其中
R
、
P
测量
I
F
,
P
、
D
测量
V
F
,
S
、
P
测量
Δ
V
.

四、实验内容

1.实验系统检查与连接
（
1
）先对照原理图熟悉测试仪面板上的各个旋钮开关,控温电流开关旋钮应放在
“
关
”
的位置上,
此时加热指示灯不亮.

（
2
）接上加热电源线和信号传输线,它们的连线方式均为直插式,因此,在连接信号线时,应先
看清并对准插头与插座凹凸定位标记,
再按插头的紧线夹部位,
即可插入；
而拆线时,
应拉插头的可动
外套,绝不可鲁莽左右转动,硬拉硬扯引线,以避免拉断影响实验.

2.
V
F
（
t
S
）的测量和调零
（
1
）开启测试仪电源,电源开关在机箱后面,预热数分钟.

（
2
）将
“
测量选择
”
开关
(
简称
K
)
拨到
I
F
的位置,由
“
I
F
调节
”
使
I
F
=50
μА
,记录初始测量温度
t
S
(
一
般与当时的室温
t
R
相同
)
,再将
K
拨到
V
F
的位置,记下
V
F
(
t
S
)
值,最后将
K
置于
Δ
V
的位置,由
“
Δ
V
调
零
”
使
Δ
V
=0
,准确记录以上数据.

有时因实验失败,需要重新进行测量时,
PN
结所在处的温度无法降到室温,这时可根据实验条件
选取一个合适的起始温度,记录下该温度值,即可开始测量,测量过程与上面完全相同.

3.测定
Δ
V
—
T
曲线
（
1
）开启加热电源
(
指示灯即亮
)
,先将控温电流开关旋钮旋至
0.3A
,再逐步提高控温加热电流,
实验过程中每测量三个点控温电流增加
0.1A
即可.

（
2
）
记录对应的
Δ
V
和
T
,
为了减小测量误差,
便于处理数据,
实验中按
Δ
V
每改变
10mV
或
15mV
立即读取一组数据,将数据填入拟定的表格中.

五、注意事项

1
．为保持加热均匀,在整个实验过程中,升温速率要慢,即控温电流一开始不可选择过大,且最
高温度最好控制在
120
℃左右.

2
．在实验过程中应保证
PN
结正向电流为恒定电流,并保持在
50
μА
上.

3
．
Δ
V
在实验开始时应调零,在实验过程中不可再调节.