pn结正向压降温度特性研究.doc

试验 结正向压降温度特征研究
【试验目】
1、 了解结正向压降随温度改变基础关系式.
2、 在恒定正向电流下,测绘结正向压降随温度改变曲线,并由此确定其灵敏度.
3、 学习用结测温方法.

【试验仪器】
1、 DH-PN-1型结正向压降温度特征试验仪

【试验原理】
1、 结
在一块完整硅或锗上用不一样工艺掺入杂质,使得其二分之一成为P型半导体,而另二分之一成为N型半导体,那么,在这两种半导体交界处就会形成结.
在P型与N型半导体结合后,因为P型半导体含有较高浓度空穴,而N型半导体含有较高浓度自由电子,在她们交界处两边就出现了电子与空穴浓度差异.从而,电子与空穴都要朝着较低浓度方向扩散.这种扩散作用,使得在P、 N交界处之间形成了含有一定大小扩散电流.
其次,因为P型半导体中空穴流失,使得P型半导体中留下了一定量带负电离子;而N型半导体中因为电子流失,使得其中留下了一定量正离子.因为正负电荷之间相互作用,使得在交界薄膜中形成了从N型半导体指向P型半导体空间电场.而空间电场形成使得一部分空穴与电子沿与扩散相反方向运动,形成漂移电流.
空穴与自由电子扩散使得空间电场增强,而空间电场增强却又抑制空穴与电子扩散,从而,在一段时间以后,扩散电流将与漂移电流达成动态平衡.而在P型与N型半导体两侧则会留下不能自由移动离子薄层,而这个离子薄层在P、 N半导体交界面周围所组成过渡区（空间电荷区）, 图1 PN结
即称为结.

2、 结正向压降温度特征
依据结理论, 结伏安特征可表示以下:
（1-1）
式中为经过结正向电流, 为其正向电压, 为反向饱和电流; 为电子电荷量, 为绝对温度是玻尔兹曼常量当正向电压时, ,故上式可近似为
（1-2）

由式（1-2）得

又

(1-3)
式（1-3）即为结两端正向电压与其温度、 经过电流之间关系.其中, 为时材料导带底与价带顶间电势差, 是与温度无关试验常数, 是与温度相关函数项, 为与热激发所引发电子迁移率相关系数.
取为一常数,则（1-3）式转化为经过结电压与结温度之间关系.
对取一阶导数,得
（1-4）
即代表了图线斜率,由（1-4）能够看出, 斜率为负,随温度上升而下降.
对取二阶导数,得
（1-5）
其中, 、 ,取,得,

即, 图线斜率可近似认为一常数, 可近似认为是一条直线.
依据（1-3）式
(1-6)
设,温度为时,电势差为

又
得 (1-7)
由上推导可知, 应与呈线性关系,故设

(1-8)

令 (1-9)
设、 , 取可得,而对应正向压降则改变了,差值约为417倍,相比之下,误差甚小.不过当温度改变过大以后图线线性误差将有所递增.
因为与呈很好线性相关性,故可利用细微改变来测量目前环境温度.这也是温敏二极管测温基础原理.

【试验步骤】
1、 打开结正向压降温度特征试验仪并调整加热电流值为零,统计起始温度.
2、 将“测量选择”开关调整到档,调整旋钮,使得面板上值为零.
3、 将“测量选择”开关调整到档,记下初始时值.
4、 将“测量选择”开关调整到,调整调零旋钮,使得.
5、 调整加热电流为,并统计所对应和值.当每改变时统计一次值.直到结温度达成大约℃为止.
6、 画出图像,并求被测结正向压降随温度改变灵敏度.
8、 估算被测结材料禁带宽度.
9、 试验结束,收拾仪器.

注意事项
1、 加热装置温升不应超出120℃,长久过热使用,将造成接线老化,甚至脱焊.
2、 加热电流不应大于,若长久使加热电流过大,会使得仪器未来加热效率变低.
3、 使用完成后即应切断电源,以避免长时间加热引发安全事故.

【试验数据整理】
表一: 测量数据

0
18.2
-10
23.4
-20
28.5
-30
33.3
-40
38.4
-50
43.3
-60
48.2
-70
53.1
-80
58.1
-90
62.9
-100
67.9
-110
73.0
-120
77.9
-130
82.7
-140
87.5
-150
92.4
-160
97.2
-170
101.9
其中,初始正向电压.

【数据处理过程及结论】
数据处理
1、 依据数据,画出图像以下

经过线性拟合,得到,
2、 由得到被测结正向压降随温度改变灵敏度为: .
3、 被测结材料禁带宽度

试验结论
1、 经过此次试验,测得结两端正向电压与其上温度改变呈很好地线性关系.判定是因为温度升高造成P、 N型半导体更轻易激发出空穴与自由电子.加正向电压时,因为载流子浓度上升,使得漂移作用愈加显著, 结导电能力增强.宏观上表现为结电阻降低,故在相同正向电流下,温度上升将造成结正向电压下降.故以此推测:因为在温度过高情况下, 结内载流子浓度快速增加（温度上升,使得空穴与自由电子运动速度上升,在一定程度后,它们将有足够能量撞击半导体分子,使得共价键被破坏,逸出更多电子）,这将造成结正电压快速下降,故原理中线性推导在温度过高时将不在适用,则温敏二极管不能正确测量较高温度.

2、 经过此次试验,测得待测结正向压降随温度改变关系具体可表示为

其正向电压随温度改变灵敏度.

3、 经过此次试验测得被测结材料禁带宽度.