PN结正向压降与温度关系的研究.doc

实验12 PN结正向压降与温度关系的研究
随着半导体工艺水平的不断提高和发展,半导体PN结正向压降随温度升高而降低的特性使PN结作为测温元件成为可能,过去由于PN结的参数不稳,它的应用受到了极大限制,进入二十世纪七十年代以来,微电子技术的发展日趋成熟和完善,PN结作为测温元件受到了广泛的关注。
温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分,正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加,负温度系数传感器的阻值随温度的上升而减少,热电偶、热敏电阻,测温电阻属于正温度系数传感器,而半导体PN结属于负温度系数的传感器。这两类传感器各有其优缺点,热电偶测温范围宽,但灵敏度低,输出线性差,需要设置参考点;而热敏电阻体积小,灵敏度高,热响应速度快,缺点是线性度差;测温电阻如铂电阻虽然精度高,线性度好,但灵敏度低,价格高。相比之下,PN结温度传感器有灵敏度高,线性好,热响应快和体积小的优点,尤其在数字测温,自动控制和微机信号处理方面有其独特之处,因而获得了广泛的应用。

了解PN结正向压降随温度变化的基本关系,测定PN结特性曲线。
测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线,确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。
学会用PN结测量温度的一般方法。

.SQ-J型PN结特性测试仪,三极管(3DG6),测温元件,样品支架等。


由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN结的正向电流与正向电压满足以下关系;
=(exp-1) ⑴
式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数,T为热力学温度,为反向饱和电流,它是一个与PN结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数,是不随电压变化的常数。由于在常温(300K)下,kT/q=,而PN结的正向压降一般为零点几伏,所以exp》1,上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有
⑵
这就是PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN结的关系值,则可利用上式以求出e/,就可得到e/k常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中,二极管的正向关系虽能较好满足指数关系,但求得的k值往往偏小,这是因为二极管正向电流中不仅含有扩散电流,还含有其它电流成份。如耗尽层复合电流.、表面电流等。在实验中,采用硅三极管来代替硅二极管,复合电流主要在基极出现,三极管接成共基极线路(集电极与基极短接),集电极电流中不包含复合电流。若选取性能良好的硅三极管,使它处于较低的正向偏置状态,则表面电流的影响可忽略。此时集电极电流与发射极—基极电压满足⑵式,可验证该式,求出准确的e/k常数。

由物理学知,二极管的反向饱和电流与绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差有如下关系:
⑶
⑶式中,r是常数,C是与结面积、掺杂浓度等有关的参数,将⑶式代⑴式后两边取对数得
⑷
其中

⑷式即为PN结正向压降、正向电流和温度间的函数关系,它是PN结温度传感器工作的基本方程。若保持正向电流恒定即常数,则正向压降只随温度变化,显然,⑷式中除线性项外还含有非线性项,但可以证明当温度变化范围不大时(对硅二极管来说,温度范围在-50℃-150℃)引起的误差可忽略不记。因此在恒流供电条件