结正向电压温度特性研究样本.doc

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实验9 PN结正向电压温度特性研究

【目的和要求】
1．了解PN结正向电压随温度变化的基本规律。
2．测绘恒流条件下PN结正向电压随温度变化的关系图线。
3．确定PN结的测温灵敏度和被测PN结材料( 硅) 的禁带宽度。
【实验原理】
PN结温度传感器具有灵敏度高、 线性较好、 热响应快和体小轻巧易集成化等优点, 应用日益广泛。但其测温范围局限性较大(一般为－50~150℃), 这还有待于进一步改进和开发。
1．PN结温度传感器的基本方程
理想PN结的正向电流IF和正向电压VF在常温VF＞0.1V时, 存在如下近似关系式:
IF=Isexp(－) 43-(1)
式中q为电子电量, K为玻尔兹曼常数, T为热力学温度, Is为反向饱和电流, 它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数。能够证明:
Is=CTrexp(－ 43-(2)
式中C是与PN结的结面积、 掺杂浓度等有关的常数, K为玻尔兹曼常数, r在一定范围内也是常数, Vg(0)为热力学温度OK时PN结材料的导带底与价带顶的电势差, 对于给定的PN结材料, Vg(0)是一个定值。
将公式( 2) 代入公式( 1) , 两边取对数, 整理后可得:
43-(3)
其中, Vr=
式( 3) 是PN结正向电压作为电流和温度函数的表示式, 它是PN结温度传感器的基本方程。
2．PN结测温原理和温标转换
对给定的PN结材料, 在允许的温度变化区间内, 在恒流供电条件下, PN结的正向电压VF对温度的依赖关系取决于线性项V1, 正向电压VF几乎随温度升高而线性下降。即
43-(4)
这就是PN结测温的依据。
定义为PN结温度传感器灵敏度
则VF(T)=Vg(0)－ST 43-(5)
温度T是热力学温度, 在实际使用时会有不便之处, 为此, 我们进行温标转换, 采用摄氏温度t来表示。即T=273.2+t
令VF在室温tR 时的值为VF(tR), 则值为
VF(tR)=Vg(0)－S(273.2+tR) 43-(6)
联立(5)(6): △V(t)=VF(t)－VF(tR)=StR-St 43-(7)
当t=tR℃时, △V=0
3．灵敏度S的计算
由(7)得: 43-(8)
即△V(t)－t曲线的斜率。
4．确定PN结材料的禁带宽度
PN结材料的禁带宽度Eg(0)定义为电子的电量q与热力学温度OK时PN结材料的导带底和价带顶的电势差Vg(0)的乘积, 即
由公式(6), 可得
Eg(0)=qVg(0)=q[VF(tR)+S(273.2+tR)] 43-(9)
【实验仪器】
( 一) 加热测试装置
H
如图43-(1)所示, A为可拆卸的隔离圆筒; B为测试圆筒块, 被测PN结和温度传感器AD590均装于其上; 加热器E装于铜块中心柱体内, 通达热隔离后与外壳固定; 引线经过高温导线连至顶部插座H, 再由顶部插座用专用导线连至测试仪; G为加热器电源插座, 接至测试仪的”5”端。

A 隔离圆筒 B 测试圆铜块 C 测温元件
D 被测PN结 E加热器 F 隔离块
G 加热电源插座 H 信号输出插座

G

E

F
D
A

C
B

图43-1

( 二) FB302型PN结实验仪

1
4
5
6
10
11
12
7
8
9
2
3

图43-2 PN结测试仪面板示意图
1、 加热指示 2、 △V、 VF、 IF显示 3、 温度显示
4、 温度校准 5、 加热电源输出端 6、 测试信号输出端
7、 VT输出端 8、 △V输出端 9、 △V、 VF、 IF选择开关
10、 IF调节 11、 △V调节 12、 控温电流选择

【实验内容】
1．按图43-3所示进行连线。控温电流开关置”关”位置, 接上加热电源线和信号传输线, 两者连接均为直插式。在连接信号线时, 应先对准插头与插座的凸凹定位标记, 再按插头的紧线夹部位, 即可插好。而拆除时, 应拉插头的可动外套, 决不可鲁莽左右转动, 或操作部位不对而硬拉, 否则可能拉断引线影响实验。

图43-3 实验连线图
2．打开电流开关, 预热几分钟后, 此时测试仪上将显示出室温机, 与标准温度计上的指示值相比较, 以防系统误差。记录起始温度tR 。
3．将测量选择开关拨到IF, 由IF调节使IF=50uA, 再将K拨到VF, 记下VF(tR)值, 然后将K置于△V, 由”△V调零”使△V=0。
4．开启加热电流( 指示灯亮) , 逐步提高加热电流进行变温实验, 温控电流范围0.2A—0.5A。测定△V—T曲线, 每改变10mV立即读取一组△V, T值。整个实验过程升温要慢, 温度控制在120℃以内。
完成表43-1, 表43-2。
tR
VF(tR)
IF
温控电流

表43-1
n
△V(mV)
t℃
T=273.2+ tR
1
-10

2
-20

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12
-120

表43-2
【数据处理】
1．以T作横坐标, △V作纵坐标, 作△V-T图线。
2．在直线上取两点, 采用两点式求斜率的方法, 计算PN结温度传感器灵敏度S。

3．根据43-(9)计算PN结材料的禁带宽度, 利用计算出的Vg(0)和S值, 求Eg(0), 并与其公认值1.21eV比较, 求相对误差。
【思考题】
1．为什么实验要求测△V-T曲线, 而不是VF-T曲线?
2．测△V-T为何按△V的变化读取T, 而不是按自变量T读取△V?