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PN结正向电压温度特性研究(1).doc
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PN 正向 电压 温度 特性 研究
PN结正向电压温度特性研究 By 金秀儒 物理三班 Pb05206218 实验题目:PN结正向电压温度特性研究 学号:pb05206218 姓名:金秀儒 5 实验目的: 了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。在恒流供电条件下,测绘PN结正向压降随温度变化曲线,并由此确定其灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度。学习用PN结测温的方法。 实验仪器: 样品架、测试仪、加热器 实验原理: 理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系其中q为电子电荷;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度;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,可以证明其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数:r也是常数;Vg(0)为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。 这就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式,它是PN结温度传感器的基本方程。令IF=常数,则正向压降只随温度而变化,除线性项V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差。 按理想的线性温度影响,VF应取如下形式: 等于T1温度时的值。 实际响应对线性的理论偏差为 设T1=300°k,T=310°k,取r=3.4*,可得∆=0.048mV,而相应的VF的改变量约20mV,相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时,VF温度响应的非线性误差将有所递增,这主要由于r因子所致。 综上所述,在恒流供电条件下,PN结的VF对T的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,这就是PN结测温的依据。必须指出,上述结论仅适用于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间(对于通常的硅二极管来说,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关系将产生新的非线性,这一现象说明VF—T的特性还随PN结的材料而异,对于宽带材料(如GaAs)的PN结,其高温端的线性区则宽;而材料杂质电离能小(如Insb)的PN结,则低温端的线性范围宽,对于给定的PN结,即使在杂质导电和非本征激发温度范围内,其线性度亦随温度的高低而有所不同,这是非线性项Vn1引起的,由Vn1对T的二阶导数的变化与T成反比,所以VF-T的线性度在高温端优于低温端,这是PN结温度传感器的普遍规律。此外,减小IF,可以改善线性度,但并不能从根本上解决问题,目前行之有效的方法大致有两种: 1、对管的两个be结(将三极管的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,由此获得两者电压之差(VF1- VF2)与温度成线性函数关系,即 由于晶体管的参数有一定的离散性,实际与理论仍存在差距,但与单个PN结相比其线性度与精度均有所提高,这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体,便构成集成电路温度传感器。 数据处理及结论: 实验起始温度;工作电流; 起始温度TS为时的正向压降 ΔV /mV T(升温) T(降温) 升温电流 /A °C K °C K -10 24.0 297.2 23.7 296.9 0.1 -20 28.4 301.6 28.0 301.2 0.2 -30 32.8 306.0 32.5 305.7 0.2 -40 37.1 310.3 37.1 310.3 0.3 -50 41.5 314.7 41.7 314.9 0.3 -60 46.0 319.2 46.0 319.2 0.3 -70 50.4 323.6 50.7 323.9 0.3 -80 54.9 328.1 55.2 328.4 0.3 -90 59.1 332.3 59.6 332.8 0.3 -100 63.6 336.8 63.9 337.1 0.4 -110 68.1 341.3 68.6 341.8 0.4 -120 72.6 345.8 73.1 346.3 0.5 -130 77.1 350.3 77.4 350.6 0.5 -140 81.6 354.8 82.3 355.5 0.5 -150 85.9 359.1 86.8 360.0 0.5 -160 90.3 363.5 91.3 364.5 0.5 -170 94.7 367.9 95.3 368.5 0.5 -180 99.1 372.3 99.4 372.6 0.5 T -ΔV关系曲线1(升温) T -ΔV关系曲线1(升温) Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * X Parameter Value Error A 597.39275 0.75769 B -2.01418 0.00221 R SD N P -0.99999 0.22208 18 <0.0001 T -ΔV关系曲线2(降温) T -ΔV关系曲线2(降温) Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * X Parameter Value Error A 573.13916 3.16569 B -1.95301 0.00921 R SD N P -0.99986 0.96153 18 <0.0001 小结 斜率 斜率偏差 截距 截距偏差 升温曲线 -2.01418 0.00221 597.39275 0.75769 降温曲线 -1.95301 0.00921 573.13916 3.16569 数据点最好用×表示!降温的横坐标和纵坐标对吗?要做的是ΔV –T曲线,不是 T –ΔV曲线! 1. 升温情况: 灵敏度保留三位有效数字就可以了! 禁带宽度为 因此,相对误差为 2. 降温情况: 灵敏度 禁带宽度为 因此,相对误差为 实验小结及建议: 本实验是一个比较精确的实验,引起误差的主要因素有如下述:仪器方面,仪器显示的温度与实际温度有所偏差,而且温度变化越快,偏差越大;读数方面,由于同一个ΔV对应多个T的值,读数的标准也会影响结果; 从本次实验的结果来看,一方面,两条直线的相关系数分别为-0.99999和-0.99986,线性较好;而且升温部分线性好过降温部分,这是因为升温快慢可以控制使得比较稳定,而降温则难以控制;另一方面,相对误差分别为0.83%和2.48%,降温部分误差较大,仪器方面和读数方面的影响都可能是造成偏差的原因,而且用来计算相对误差的标准值只给出了小数点后两位,计算时对数值的约舍也会对结果造成影响;总的来说,实验结果基本让人满意,在现有实验条件下,实验比较准确。 小建议:建议在实验中,可以在升温时先升得慢点,等温度稍高时,可以加热快些,这是因为VF-T曲线的线性高温端优于低温端(对于给定的PN结,其线性度亦随温度的高低而有所不同,是非线性项Vn1引起的,由Vn1对T的二阶导数的变化与T成反比,所以VF-T的线性度在高温端优于低温端。 见实验原理 ),这也是为什么实验中改用0.5A加热时线性反而好过0.4A;同理,在降温时,一开始降温较快,后来降温较慢,不应该人为施加影响,而且如果到最后温度难以到达最低点,则最低点数据不可靠,不如舍去。 分析的不错,但实验的时候也应该注意要求,不能升温过慢,升温的时间是老师们总结出来的经验结果,并且这个结果也一直都很好,作出的曲线线性也很好,因此应该注意实验上的要求,同时,报告交的也有些晚了吧,应该是周三晚上就上传好的,希望以后要注意些!总体来说,实验做的不错! 思考题: 1. 测VF(0)或VF(TR)的目的何在?为什么实验要求测∆V—T曲线而不是VF—T曲线? 答: 测量VF(0)或VF(TR),便于进行调零,实现∆V=0,并且能根据VF(0)或VF(TR)求得Vg(0),进而求出Eg(0); 测量∆V—T曲线而不是VF—T曲线,因为∆V—T曲线的斜率就是灵敏度S,而且调零后∆V=0,便于取点,便于数据处理; 2. 测∆V—T曲线为何按∆V的变化读取T,而不是按自变量T取∆V? 答: T比ΔV变化更加灵敏,同一个ΔV从开始到结束对应T的一个区间,按∆V的变化读取T便于确定读数的标准,也可以减小误差,甚至可以说若是按自变量T取∆V,必然造成读数错误而非仅仅是误差较大。 物理三班 金秀儒 2006.11.29 PAGE VII

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