PN结正向压降温度特性的设计研究实验报告.doc

实验题目：PN结正向压降温度特性的研究实验目的：1) 了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式2) 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3) 学习用PN结测温的方法实验原理：理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系 〔1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 〔2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将〔2式代入〔1式,两边取对数可得 〔3其中这就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式令IF=常数,则正向压降只随温度而变化,但是在方程〔3中,除线性项V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差设温度由T1变为T时,正向电压由VF1变为VF,由〔3式可得 〔4按理想的线性温度影响,VF应取如下形式： 〔5等于T1温度时的值。

由〔3式可得 〔6所以 〔7由理想线性温度响应〔7式和实际响应〔4式相比较,可得实际响应对线性的理论偏差为 〔8设T1=300k,T=310k,取r=3.4*,由〔8式可得∆=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,正向压降几乎随温度升高而线性下降,可以改善线性度的方法大致有两种：1、对管的两个be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2、利用函数发生器,使IF比例于绝对温度的r次方,则VF—T的线性理论误差为∆=0四、实验装置实验系统由样品架和测试仪两部分组成样品架的结构如图所示,其中A为样品室,是一个可卸的筒状金属容器,筒盖内设橡皮0圈盖与筒套具相应的螺纹可使用两者旋紧保持密封,待测PN结样管〔采用3DG6晶体管的基极与集电极短接作为正级,发射极作为负极,构成一只二极管和测温元件〔AD590均置于铜座B上,其管脚通过高温导线分别穿过两旁空芯细管与顶部插座P1连接。

加热器H装在中心管的支座下,其发热部位埋在铜座B的中心柱体内,加热电源的进线由中心管上方的插孔P2引入,P2和引线〔高温导线与容器绝缘,容器为电源负端,通过插件P1的专用线与测试仪机壳相连接地,并将被测PN结的温度和电压信号输入测试仪测试仪由恒流源、基准电源和显示等单元组成恒流源有两组,其中一组提供IF,电流输出范围为0-1000μA连续可调,另一组用于加热,其控温电流为0.1-1A,分为十档,逐档递增或减0.1A,基准电源亦分两组,一组用于补偿被测PN结在0℃或室温TR时的正向压降VF〔0或VF〔TR,可通过设置在面板上的"∆V调零"电位器实现∆V=0,并满足此时若升温,∆V<0；若降温,则∆V>0,以表明正向压降随温度升高而下降另一组基准电源用于温标转换和校准,因本实验采用AD590温度传感器测温,其输出电压以1mV/k正比于绝对温度,它的工作温度范围为218.2—423.2k〔即-55—150℃,相输出电压为218.2—423.2mV要求配置412位的LED显示器,为了简化电路而又保持测量精度,设置了一组273.2mV〔相当于AD590在0℃时的输出电压的基准电压,其目的是将上述的绝对温标转换成摄氏温标。

则对应于-55—150℃的工作温区内,输给显示单元的电压为-55—150mV便可采用量程为200.0mV的31/2位LED显示器进行温度测量另一组量程为1000mV的31/2位LED显示器用于测量IF,VF和∆V,可通过"测量选择"开关来实现实验步骤：1) 打开测试仪电源,将开关K拨到IF,由"IF调节"使IF=50μA2) 将K拨到VF,记下初始温度T和对应VF〔0的值将K置于∆V,由"∆V调零"使∆V=03) 开启加热电源,逐步提高加热电流,当∆V每改变10 mV读取一组∆V、T,记录18组实验数据 4) 关闭加热电流,在降温条件下重复上述操作,记录数据5) 整理实验仪器数据处理与误差分析：实验测量数据如下：实验起始温度TS=26.0℃工作电流 IF=50μA起始温度为TS时的正向压降VF〔TS=609mV∆V/mv升温过程T℃降温过程T℃-1030.129.9-2034.134.2-3038.638.3-4042.842.3-5047.146.5-6051.450.7-7055.654.9-8059.959.1-9064.163.4-10068.367.6-11072.471.9-12076.776.1-13080.980.4-14085.184.7-15089.289.0-16093.593.2-17097.797.4-180102.0102.0表一：实验数据表利用ORINGIN,将升温和降温过程分别作图：升温过程 ΔV-T曲线：ΔV-T曲线图像数据降温过程ΔＶ－Ｔ曲线：ΔＶ－Ｔ曲线图像数据由上图数据可知：升温时曲线的斜率为-2.36628,其误差为0.0025,而相关系数为0.99998降温时曲线的斜率为-2.36247,其误差为0.00443,而相关系数为0.99994两次所作图像的相关系数都非常接近1,说明数据较好。

在升温过程中PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.366280.0025 mV/℃禁带宽度 Eg〔TS=与公认值1.21比较有在降温过程中PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.362470.00443 mV/℃禁带宽度 Eg〔TS=与公认值1.21比较有误差分析：升温和降温过程得到的灵敏度、禁带宽度很接近,但由于实验过程中温度变化比较快,不能准确记录温度,使得禁带宽度与公认值差距较大,同时温度的测量精度比较低也增大了误差思考题：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是为了能根据公式计算出在相应温度下的禁带宽度VF—T曲线不利于读数而,实验中测量∆V—T曲线使∆V每改变－10mv记录一组数据相对方便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：实验过程中T的变化相对比较快,并且变化不稳定,容易造成较大的误差。