PN結正向壓降溫度特性測試儀
一、實驗目的
1. 了解PN結正向壓降隨溫度變化的基本關係。
2. 在恒流供電條件下,測繪PN結正向壓降隨溫度變化曲線,並由此確定其靈敏度和被測PN結材料的禁帶寬度。
3. 學習用PN結測溫的方法。
二、實驗設備
TH-J型PN結樣品實驗儀、TH-J型PN正向壓降溫度特性實驗組合儀、220V三芯電源線、加熱連接線、信號連接線、測試儀輸出線、0.5A保險絲。
三、實驗原理
理想PN結的正向電流

和壓降

存在如下近似關係式。

(1)
其中q為電子電荷;K為波爾茲曼常數;T為溫度;

為反向飽和電流,它是一個和PN結材料的禁帶寬度以及溫度等有關的係數,可以證明

(2)
其中C是與結麵積、摻雜濃度等有關的常數;r也是常數;

為零度時PN結材料的導帶底和價帶頂的電勢差。
將(2)式帶入(1)式,兩邊取對數可得

(3)
其中

方程(3)就是PN結正向壓降作為電流和溫度函數的表達式,它是PN結溫度傳感器的基本方程。令

=常數,則正向壓降隻隨溫度而變化,在方程(3)中,除線性項

外還包含非線性項

。下麵討論非線性項所引起的線性誤差。
設溫度由

變為T時,正向電壓由

變為

可得

(4)
按理想的線性溫度響應,

應取如下形式

理想=

(5)

等於

溫度時的

值,可得

V理想=

(6)
由理想線性溫度響應(7)和實際響應式(4)式相比較,可得實際響應對線性的理論偏差為

(7)
綜上所述,在橫流供電條件下,PN結的

對T的依賴關係取決於線性項

,即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降嗎,這就是PN結測溫的依據。必須指出,上述結論僅適用於雜誌全部電離,本征激發可以忽略溫度區間,如果溫度低於或高於上述範圍時,由於雜質電離因子減小或本征載流子迅速增加,說明

-T的特性還隨PN結的材料而異,為了改善線性度,但並不能從根本上解決問題,目前行之有效地方法大致有兩種:
1. 利用對管的兩個be結,分別在不同電流

和

下工作,由此獲得兩者之差與溫度成線性函數關係:

由於晶體管的參數有一定的離散性,實際與理論仍存在誤差,但與單個PN結相比其線性度與精度均有所提高,這種電路結構與橫流、放大等電路集成一體,變構成集成電路溫度傳感器。
2.Okira Ohte等人提出的采用電流函數發生器來消除非線性誤差。由(3)式可知,非線性誤差來自Tr項,利用函數發生器,IF比例於溫度的r次方,則VF-T的線性理論誤差為Δ=0。實驗結果與理論值頗為一致,其精度可達0.01℃。
四、實驗內容與步驟
1.實驗係統檢查與連接
A.取下樣品室的套筒,待測PN結管和測溫元件應分放在銅座的左、右兩側圓孔內,其管腳不與容器接觸,然後放好筒蓋內的橡皮O圈,裝上套筒。O圈的作用是當樣品室在冰水中進行降溫時,以防止冰水深入室內。
B.控溫電流開關置“關”位置,此時加熱指示燈不亮。接上加熱電源線盒信號傳輸線、兩者連線均為直插式,在連接信號線時,應先對準插頭與插座的凹凸定位標記,再按插頭的緊線夾部位,即可插入。拆除時,應拉插頭的可動外套,不可魯莽左右轉動。
1.

或

得測量和調零
將樣品室埋入盛有冰水的杜瓦瓶中降溫,開啟測試儀電源,經預熱數分鍾後,將“測量開關”撥到

,由

調節使

=50uA,待溫度冷卻至0°時,將K撥到

,記下

值,再將K置於

,由

調零,使

=0.
本實驗的起始溫度

可直接從室溫

開始,按上述步驟,測量

並使

=0.
2. 測定

曲線
取走冰瓶,開啟加熱電源,逐步提高加熱電源進行變溫實驗,並記錄對應的

和T,在整個實驗過程中,升溫速率要慢。且溫度不宜過高,控製在120°左右。
3. 求被測PN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度S。作

-T曲線,其斜率就是S。
4. 估算被測PN結材料矽的禁帶寬度

電子伏。根據(6)式,可得
五、實驗數據
壓降每變化10~15mv時記錄溫度值,填入下表
實驗起始溫度

=
工作電流

=
起始溫度為

時的正向壓降

=