实验十三---PN结特性的研究和应用.doc

12级电科专业《专业实验》安排表(2015下半年)
内容
班级
太阳能电池特性研究
黄瑞强
PN结特性
叶会亮
导热系数
罗 飞
二阶电路
邹文强
电源特性
邹文强
声光电路
黄瑞强
数字万用表
刘燕勇
光电传感器
刘志勇
电科121
12周3
202
8周3
101
11周3
205
9周3
103
16周3
103
15周3
207
13周3
205
10周3
303
电科122
13周3
202
9周3
101
12周3
205
8周3
103
15周3
103
16周3
207
14周3
205
11周3
303
说明:14周3 (上课时间为第14周星期3;上课地点为物理实验室103教室。)
103
每一时间段实验为4学时,下午上课时间:14:3017:30
每次实验上课前需认真预习相关实验内容并写好预习报告
每位学生准备8张16开实验报告纸,8张32开原始记录纸。
讲义份数:导热系数？份, 电源特性？份, 声光电路？份。
所开设实验得房间管理由各位老师自己承担。
理学院物理实验室
2015、09、06
实验十三 PN结特性得研究与应用
PN结作为最基本得核心半导体器件,得到了广泛得应用,构成了整个半导体产业得基础。在常见得电路中,可作为整流管、稳压管;在传感器方面,可以作为温度传感器、发光二极管、光敏二极管等等。所以,研究与掌握PN结得特性具有非常重要得意义。
PN结具有单向导电性,这就是PN结最基本得特性。本实验通过测量正向电流与正向压降得关系,研究PN 结得正向特性:由可调微电流源输出一个稳定得正向电流,测量不同温度下得PN结正向电压值,以此来分析PN结正向压降得温度特性通过这个实验可以测量出玻尔兹曼常数,估算半导体材料得禁带宽度,以及估算通常难以直接测量得极微小得PN结反向饱与电流;学习到很多半导体物理得知识,掌握PN结温度传感器得原理。
【实验目得】
1、测量同一温度下,正向电压随正向电流得变化关系,绘制伏安特性曲线;
2、在同一恒定正向电流条件下,测绘PN结正向压降随温度得变化曲线,确定其灵敏度,估算被测PN结材料得禁带宽度;
3、学习指数函数得曲线回归得方法,并计算出玻尔兹曼常数,估算反向饱与电流;
4、探究:用给定得PN结测量未知温度。
【实验原理】
一、PN结得正向特性
理想情况下,PN结得正向电流随正向压降按指数规律变化。其正向电流IF与正向压降VF存在如下近关系式:
(1)
其中q为电子电荷;k为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;IS为反向饱与电流,它就是一个与PN结材料得禁带宽度以及温度有关得系数,可以证明:
(2)
其中C就是与结面积、掺质浓度等有关得常数,r也就是常数(r得数值取决于少数载流子迁移率对温度得关系,通常取r=3、4);Vg(0)为绝对零度时PN结材料得带底与价带顶得电势差,对应得qVg(0)即为禁带宽度。

将(2)式代入(1)式,两边取对数可得:
(3)
其中

方程(3)就就是PN结正向压降作为电流与温度函数得表达式,它就是PN结温度传感器得基本方程。令IF=常数,则正向压降只随温度而变化,但就是在方程(3)中还包含非线性顶Vn1。下面来分析一下Vn1项所引起得非线性误差。
设温度由T1变为T时,正向电压由VF1变为VF,由(3)式可得
(4)
按理想得线性温度响应,VF应取如下形式
(5)
等于T1温度时得值
由(3)式求导,并变换可得到
(6)
所以
= (7)
由理想线性温度响应(7)式与实际响应(4)式相比较,可得实际响应对线性得理论偏差为:
△=V理想 VF = (8)
设T1=300°K,T=310°K,取r=3、4,由(8)式可得△=0、048mV,而相应得VF得改变量约为20 mV以上,相比之下误差△很小。不过当温度变化范围增大时,VF温度响应得非线性误差将有所递增,这主要由于r因子所致。
综上所述,在恒流小电流得条件下,PN结得VF对T得依赖关系取决于线性项V1,即正向压降几乎随温度升高而线性下降,这也就就是PN结测温得理论依据。
二、求PN结温度传感器得灵敏度,测量禁带宽度
由前所述,我们可以得到一个测量PN结得结电压VF与热力学温度T关系得近似关系式:
(9)
式中S(mV/℃)为PN结温度传感器灵敏度。
用实验得方法测出VFT变化关系曲线,其斜率△VF/△T即为灵敏度S。
在求得S后,根据式(9)可知
(10)
从而可求出温度0K时半导体材料得近似禁带宽度＝。硅材料得约为1、21eV。
必须指出,上述结论仅适用于杂质全部电离,本征激发可以忽略得温度区间(对于通常得硅二极管来说,温度范围约50℃150℃)。如果温度低于或高于上述范围时,由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加,VF—T关系将产生新得非线性,这一现象说明VF—T得特性还随PN结得材料而异,对于宽带材料(如GaAs,Eg为1、43eV)得PN结,其高温端得线性区则宽;而材料杂质电离能小(如Insb)得PN结则低温端得线性范围宽。对于给定得PN结,即使在杂质导电与非本征激发温度范围内,其线性度亦随温度得高低而有所不同,这就是非线性项Vn1引起得,由Vn1对T得二阶导数可知,得变化与T成反比,所以VF—T得线性度在高温端优于低温端,这就是PN结温度传感器得普遍规律。此外,由(4)式可知,减小IF,可以改善线性度,但并不能从根本上解决问题,目前行之有效得方法大致有两种:
1、利用对管得两个PN结(将三极管得基极与集电极短路与发射极组成一个PN结),分别在不同电流IF1、IF2下工作,由此获得两者之差(IF1IF2)与温度成线性函数关系,即
VF1VF2= (11)
本实验所用得PN结也就是由三极管得cb极短路后构成得。尽管还有一定得误差,但与单个PN 结相比其线性度与精度均有所提高。
2、采用电流函数发生器来消除非线性误差。由(3)式可知,非线性误差来自Tr项,利用函数发生器,IF比例于绝对温度得r次方,则VF—T得线性理论误差为△=0。实验结果与理论值比较一致,其精度可达0、01℃。
三、求波尔兹曼常数
由式(11)可知,在保持T不变得情况下,只要分别在不同电流IF1、IF2下测得相应得VF1、VF2就可求得波尔兹曼常数k。
(12)
为了提高测量得精度,也可根据式(1)指数函数得曲线回归,求得k值。方法就是以公式得正向电流IF与正向压降VF为变量,根据测得得数据,用Excel进行指数函数得曲线回归,求得A、B值,再由A=Is求出反向饱与电流,求出波尔兹曼常数k。
【实验内容与步骤】
实验前,请参照仪器使用说明,将DHSJ型温度传感器实验装置上得“加热电流”开关置“关”位置,将“风扇电流”开关置“关”位置,接上加热电源线。插好Pt100温度传感器与PN结温度传感器,两者连接均为直插式。PN结引出线分别插入PN结正向特性综合试验仪上得+V、V与+I、I。注意插头得颜色与插孔得位置。
打开电源开关,温度传感器实验装置上将显示出室温TR,记录下起始温度TR。
1、测量同一温度下,正向电压随正向电流得变化关系,绘制伏安特性曲线;
为了获得较为准确得测量结果,我们在仪器通电预热10分钟后进行实验。先以室温为基准,测整个伏安特性实验得数据。
首先将PN结正向特性综合试验仪上得电流量程置于×1档,再调整电流调节旋钮,观察对应得VF值应有变化得读数。可以按照表1得VF值来调节设定电流值,如果电流表显示值到达1000,可以改用大一档量程,记录下一系列电压、电流值于表1。由于采用了高精确度得微电流源,这种测量方法可以减小测量误差。
注意,在整个实验过程中,都就是在室温下测量得。实际得VF值得起、终点与间隔值可根据实际情况微调。
有兴趣得同学也可以再设置一个合适得温度值,待温度稳定后,重复以上实验,测得一组其她温度点得伏安特性曲线。
2、在同一恒定正向电流条件下,测绘PN结正向压降随温度得变化曲线,确定其灵敏度,估算被测PN结材料得禁带宽度;
选择合适得正向电流IF,并保持不变。一般选小于100μA得值,以减小自身热效应。将DHSJ型温度传感器实验装置上得“加热电流”开关置“开”位置,根据目标温度,选择合适得加热电流,在实验时间允许得情况下,加热电流可以取得小一点,如0、3～0、6A之间。这时加热炉内温度开始升高,开始记录对应得VF与T于表2。为了更准确地记数,可以根据得变化,记录T得变化。
注意:在整个实验过程中,正向电流IF应并保持不变。设定得温度不宜过高,必须控制在120℃以内。
3、计算玻尔兹曼常数,学习用EXECL进行指数函数得曲线回归得方法。
直接计算法:对表1测得得数据,用公式(12),计算出玻尔兹曼常数k = 。
曲线拟合法:借用Excel程序拟合指数函数。以公式得正向电流IF与正向压降VF为变量,根据表1测得得数据,以VF为x轴数据,IF为y轴数据,用Excel进行指数函数得曲线回归,求得A、B值,再由A=Is,估算出反向饱与电流;,求出波尔兹曼常数k。
Excel中自动拟合曲线得方法:
1)在Excel中将选中需要拟合得正向电压与正向电流数据,依次点击Excel程序菜单插入——图标——标准类型——xy散点图——子表类型——无数据点平滑散点图——下一步,出现数据区域、系列选项,在数据区域选项中,可根据实际得数据区域得排列,选择行或列;在系列选项中可填入不同系列得代号,如该曲线测量时得温度值;点击下一步,出现图标选项,在标题项中,可填入图标标题、数值(X)轴、数值(Y)轴内容,如PN 结伏安特性、正向电压(V)、正向电流(μA),在网格线项中,可选择主要网格线、次要网格线;点击下一步,可完成曲线得图表绘制。
完成后得图标,如果需要更改,还可以继续设置。双击图标区域,在弹出得绘图区格式中,可以选择绘图区得背景色;双击坐标轴,在弹出得坐标轴格式框中,可设置坐标轴得刻度、起始值等,可根据需要自行设置。
完成以上设置后,在已产生图表中,右键单击数据曲线,在右键菜单中,选择添加趋势线,在类型菜单中选择要生成曲线得类型,这里选择指数(X),在选项菜单中选中显示公式、显示R平方值点击确定即可显示公式。右键点击公式,点击数据标志格式,选择数字栏得科学计数,小数位数选择3位,点击确定,即可根据此公式可求出:
A= ,B= ,相关系数= 。
估算反向饱与电流Is =A= ,波尔兹曼常数= 。
4、求被测PN结正向压降随温度变化得灵敏度S(mV/K)。
以T为横坐标,VF为纵坐标,作VF—T曲线,其斜率就就是S。这里得T单位为K。用Excel对VF—T数据按公式进行直线拟合,方法同前,参数可重新设定,建议X轴坐标起始点选270K。在添加趋势线时,在类型菜单中选择线性(L)即可。根据得到得公式,可求出:
A= ,B= ,相关系数= 。
(1)斜率,即传感器灵敏度S＝A=__________;
(2)截距Vg(0) =B=__________V(0K温度);
5、估算被测PN结材料得禁带宽度。
1)由前已知,PN结正向压降随温度变化曲线得截距B就就是得值。也可以根据公式(10)进行单个数据得估算,,将温度T与该温度下得VF代入即可求得,注意T得单位就是K。
2)将实验所得得Eg(0)=qVg(0) = 电子伏,与公认值Eg(0)=1、21电子伏比较,并求其误差。
*6、探究:用给定得PN结测量未知温度。
实验使用得PN结传感器可以方便地取出。根据实验原理,结合实验仪器,将该PN结制成温度传感器,试用其测量未知得温度。具体过程请自行设定。
PN结特性得研究与应用
数据原始记录纸
姓名 学号 班级

表1 同一温度下正向电压与正向电流得关系 T= ℃
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
VF/V
0、350
0、360
0、370
0、380
0、390
0、400
0、410
0、420
IF/μA

序号
9
10
11
12
13
14
15
16
VF/V
0、430
0、440
0、450
0、460
0、470
0、480
0、490
0、500
IF/μA

序号
17
18
19
20
21
22
23
24
VF/V
0、510
0、520
0、530
0、540
0、550
0、560
0、570
0、580
IF/μA

表2 同一IF下,正向电压与温度得关系 IF= μA
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
T/℃

VF/V

序号
9
10
11
12
13
14
15
16
T/℃

VF/V

序号
17
18
19
20
21
22
23
24
T/℃

VF/V

教师签名:
实验日期: