pn結正
向壓降與
溫度關係
的研究班級:物理實驗班21
學號：2120909006
姓名：黃忠政
半導體pn結正向壓降隨溫度公升高而降低的特性使pn結可以作為測溫元件。溫度感測器有正溫度係數感測器和負溫度係數感測器之分，正溫度係數感測器的阻值隨溫度的上公升而增加，負溫度係數感測器的阻值隨溫度的上公升而減少，熱電偶、熱敏電阻，測溫電阻屬於正溫度係數感測器，而半導體pn結屬於負溫度係數的感測器。這兩類感測器各有其優缺點，熱電偶測溫範圍寬，但靈敏度低，輸出線性差，需要設定參考點；而熱敏電阻體積小，靈敏度高，熱響應速度快，缺點是線性度差；測溫電阻如鉑電阻雖然精度高，線性度好，但靈敏度低，**高。
相比之下，pn結溫度感測器有靈敏度高，線性好，熱響應快和體積小的優點，尤其在數字測溫，自動控制和微機訊號處理方面有其獨特之處，因而有著廣泛的應用。
一． 實驗目的：
1.了解pn結正向壓降隨溫度變化的基本關係，測定pn結特性曲線及玻爾茲曼常數。
2.測繪pn結正向壓降隨溫度變化的關係曲線，確定其靈敏度及pn結材料的禁帶寬度。
3.學會用pn結測量溫度的一般方法。
二．實驗儀器：
sq-j型pn結特性測試儀，三極體（3dg6），測溫元件，樣品支架等。
三．實驗原理：
1．pn結特性及玻爾茲曼常數k的測量：
由半導體物理學中有關pn結的研究可以得出pn結的正向電流與正向電壓滿足以下關係：
exp-1
式中e為電子電荷量、k為玻爾茲曼常數，t為熱力學溫度，為反向飽和電流，它是乙個與pn結材料禁帶寬度及溫度等因素有關的係數，是不隨電壓變化的常數。由於在常溫（300k）下，kt/q=0.026,而pn結的正向壓降一般為零點幾伏,所以exp》1,上式括號內的第二項可以忽略不計,於是有
這就是pn結正向電流與正向電壓按指數規律變化的關係,若測得半導體pn結的關係值,則可利用上式以求出e/kt.在測得溫度t後,就可得到e/k常數,將電子電量代入即可求得玻爾茲曼常數k。
在實際測量中，二極體的正向關係雖能較好滿足指數關係，但求得的k值往往偏小，這是因為二極體正向電流中不僅含有擴散電流，還含有其它電流成份。如耗盡層復合電流.、表面電流等。
在實驗中,採用矽三極體來代替矽二極體，復合電流主要在基極出現，三極體接成共基極線路（集電極與基極短接），集電極電流中不包含復合電流。若選取效能良好的矽三極體，使它處於較低的正向偏置狀態，則表面電流的影響可忽略。此時集電極電流與發射極—基極電壓滿足⑵式，可驗證該式，求出準確的e/k常數。
2．pn結材料禁帶寬度的測量：
由物理學知，pn結材料禁帶寬度是絕對零度時pn結材料的導帶底和價帶頂間的電勢差有如下關係：
⑶式中，r是常數，c是與結面積、摻雜濃度等有關的引數，將⑶式代⑴式後兩邊取對數得
其中⑷式即為pn結正向壓降、正向電流和溫度間的函式關係，它是pn結溫度感測器工作的基本方程。若保持正向電流恆定即常數，則正向壓降只隨溫度變化，顯然，⑷式中除線性項外還含有非線性項，但可以證明當溫度變化範圍不大時（對矽二極體來說，溫度範圍在-50℃-150℃）引起的誤差可忽略不記。因此在恆流供電條件下，pn結的正向壓降對環境溫度t的依賴關係主要取決於線性項，即pn結的正向壓降隨溫度公升高而線性下降，這就是pn結測溫的依據。
但必須指出，這一結論僅適用於雜質全部電離、本徵激發可以忽略的溫度區間。若溫度過高或過低（不在上述溫度範圍），則隨著雜質電離因子減少或本徵載流子迅速增加，關係的非線性變化將更為嚴重，說明特性還與pn結的材料有關。實驗證明，寬頻材料（如gaas）構成的pn結，其高溫端線性區寬，而材料（如insb）雜質電離能小的pn結，其低溫端的線性區寬，對於給定的pn結，即使在雜質導電和非本徵激發溫度範圍內，其線性度隨溫度的高低也有所不同，這是非線性項引起的。
由⑷式可以看出，減小，可以改善線性度，但這不能從根本上解決問題，目前行之有效的方法是利用對管的兩個be結（即三極體基極和集電極短路後與發射機組成乙個pn結）分別在不同電流下工作，得到兩者電壓差與溫度間的線性關係：
使之與單個pn結相比線性度與精度有所提高。將這種電路與恆流、放大等電路整合一體，便構成積體電路感測器。
根據⑷式，略去非線性，可得
vg = vf(0)+vf(0)δt/t=vf(273.2)+s·δt
δt=-273.2k為攝氏溫標與開爾文溫標之差，s為正向壓降隨溫度變化靈敏度。
四．實驗裝置：
實驗用具由樣品架和測試儀兩部分構成,樣品架結構如圖所示,其中a為樣品室。待測樣品pn結管是將三極體3dg6的基極與集電極短接後作為正極,其發射極作為負極構成的乙隻二極體，它和測溫元件(ad590)均置於銅座b上,待測pn結的溫度和電壓訊號輸入測試儀
p1a-樣品室
b-樣品座p2
d-待測pn結
t-測溫元件
p1-d、t引線座
h-加熱器
p2-加熱電源插孔
圖1 樣品架結構圖
ahhdt
b測試儀由恆流源，基準電源和顯示單元等組成。測量電路的框圖如下圖所示。ds待測的pn結。
恆流源1提供if，電流輸出在0~1000a範圍內連續可調，恆流源2用於加熱，控溫電流為0.1-1a,分為十檔,每檔改變電流0.1a 。
可根據不同的公升溫速度要求選擇檔位。基準電源主要用於「δv」的調零。
樣品室k
圖2.測量電路框圖
五．實驗內容：
1.測量玻爾茲曼常數k：
在一定溫度的條件下，測量的關係曲線，實驗可在室溫下進行。
2.測量pn結材料禁帶寬度；
將「測量選擇」開關k撥到if ，調節if =50μa，將k撥到vf ，記下起始溫度ts 時的vf(ts)值，再將k置於δv，調節使δv=0。
測定δv-t關係曲線：開啟電源開關，逐步提高加熱電流，測量δv所對應的t值，δv每變化10mv記錄t的值。測量時應注意，公升溫速度不要太快，溫度不宜過高120c。
六．資料記錄與處理：
記錄室溫tr=21.3c，vf（tr）=112mv，將測量的資料記入表1中。
表1 玻爾茲曼常數k的測量
將if、vf資料按指數函式擬合出方程，並與（2）式比較，求出玻爾茲曼常數k，與理論值比較算出誤差。
將if資料取自然對數的值，然後再和vf的值一起列成下表，然後作出ln(if)-vf的關係圖。
由以上資料，可繪出下圖：
由式（2），兩邊取對數，得
kt/e=0.0256，則
k=0.0256*1.6*10^-19/(273.15+21.3)=1.391*10^-23
ek=|k測量值-k真實值|/k真實值=|1.391-1.38|/1.38=0.80%
調節使if=50μa，記錄起始溫度ts=30.0c，正向壓降vf（ts）=699mv，將測量的資料記入表2中。
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