大学物理实验：PN结 17页

PN结正向压降温度特性的研究¿电磁学系列3浙江大学物理实验中心\n随着半导体器件工艺技术的提高以及人们不断的探索，PN结以及在此基础上发展起来的晶体管系列温度传感器，巳经成为一种新的测温技术，广泛被应用在各个领域。据实际应用，PN结作为温度传感器具有灵敏度高、线性好、热电效应快和体积小等优点，尤其是在温度数字化、温度控制及用微机进行温度实时讯号处理与控制等方面，都是其它温度传感器所不能相比的优越性。\n一、实验目的\n1、了解PN结测温基本原理和应用。2、验证PN结正向压降随温度升高而降低的特性。3、学会使用PN结温度传感器测试仪。\n二、实验原理\nPN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N型导电区相接触的截面形成了P-N结一般来说，对于一个理想的PN结，其正向电流IF和压降VF存在如下近似关系：（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。PNP-N结VFIF\n可以证明：（2）其中C是一个与结面积、掺杂浓度等有关的常数，r也是常数，Vg(0)为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。将(2)式代入(1)式，两边取对数可得：（3）其中\n式（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。当令IF=常数，则正向压降只随温度而变化。由方程式(3)可见，VF除线性项Vl外还包含非线性项Vnl。由理论计算可知在恒流供电条件下，PN结的VF对T的依赖关系主要取决于线性项Vl，非线性项忽略不计。所以正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。\n三、实验装置\nA-样品室B-样品座D-待测PN结T-测温元件H-加热器P1-D、T引角线P2-加热电源插座1、A为样品室，是一个可卸的筒状金属容器，筒盖内设橡皮圈盖与筒套具相应的螺纹，可使两者旋紧保持密封。待测PN结样管采用3DG6晶体管PN结样品架P1P2ATBHD\nPN结样品架外形加热线信号线\n2、测试仪结构恒流源：一组提供IF，电流输出范围为0-1000A连续可调；一组用于加热，其控温电流为0.1一1A，分为十档，逐档递增或递减0.1A。基准电源，一组用于补偿被测PN结在0℃或室温TR的正向压降VF(0）一组基准电源用于温标转换和校准其输出电流以1µA／OK正比于绝对温度，显示单元：电压为-55—150mV。采用量程为土200.0mV的LED显示器进行温度测量。一组量程为土1000mV的LED显示器用于测量IF、VF和V，可通过仪器上“测量选择”开关来实现。\n电压显示温度显示加温调节△v清另IF调节信号输入加温输出测试仪外形\n四、实验操作\n1、首先检查与连接实验系统，然后调整工作电流IF为某一固定值（本实验测量设定IF=50A），在本实验的起始温度下测得VF（Tm），然后由“V调零”使V=0。点击播放\n2、VT曲线的测定逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的V和T，在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃，记录数据填入数据表。（要求电压每下降-10V，记录一次温度）3、求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mv/℃）方法是：作△V-T曲线，其斜率就是S。最后再通过画曲线求得。0T\n4、估算被测PN结材料（硅）的禁带宽度根据前述理论，略去非线性项，可得被测PN结材料（硅）的禁带宽度Eg(0)由以下两公式决定：其中Vg（0）是摄氏0度时的电压，S是V—T变化的斜率，T是温度变化值。公认值Eg(0)=1.21电子伏特。然而由于实验中测量得到的不是VF（0）而是VF（TM）（TM=t+273),因此上述公式中的Vg（0）应用Vg（TM）替代，温度.