内容发布更新时间 : 2024/11/10 4:56:59星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

实 验 报 告 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IS和压降VF存在如下近似关系

IF?ISexp(qVF) （1） kT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

IS?CTrexp[?qVg(0)kT] （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

?kcVF?Vg(0)??In?qIF?其中

?kTr?T?InT?V1?Vn1 （3） ?q??kcV1?Vg(0)???qInIF?

KTVn1??InTrq???T???

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，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

VF?Vg(0)?Vg(0)?VF1??TkT?T???Ln??? （4） T1qT?1?r按理想的线性温度影响，VF应取如下形式：

?VF1VF理想?VF1?(T?T1) （5）

?T?V?VF1等于T1温度时的F值。

?T?T由（3）式可得

Vg(0)?VF1k?VF1???r （6） ?TT1q所以

V理想?Vg?VF1k?Tk?VF1????r??T?T1??Vg(0)?Vg(0)?VF1??T?T1?rT1q?T1q??? （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

kkTT??V理想?VF??r?T?T1??Ln()r （8）

qqT1设T1?300K，T?310K，取r?3.4,由（8）式可得??0.048mV，而相应

VF温的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，

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

d2Vn11dVn1?可知的变化与T成反比，所以VF?T的线性度在高T的二阶导数2TdTdT温端优于低温端，这是PN结温度传感器的普遍规律。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

VF1?VF2?kTIF1In qIF2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。

2.Okira Ohte等人提出的采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可