PN结正向压降温度特性的研究实验报告 本文关键词:降温,特性,实验,报告,研究
PN结正向压降温度特性的研究实验报告 本文简介:实验报告评分:7系09级学号PB09007163姓名李秋阳日期2010年10月13日实验题目: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
PN结正向压降温度特性的研究实验报告 本文内容:
实
验
报
告
评分:
7
系
09
级
学号
PB09007163
姓名
李秋阳
日期
2010年10
月13日
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=300°k,T=310°k,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,?V0,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—423.2°k(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=50μA。
2)
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=0。
3)
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℃
-10
30.1
29.9
-20
34.1
34.2
-30
38.6
38.3
-40
42.8
42.3
-50
47.1
46.5
-60
51.4
50.7
-70
55.6
54.9
-80
59.9
59.1
-90
64.1
63.4
-100
68.3
67.6
-110
72.4
71.9
-120
76.7
76.1
-130
80.9
80.4
-140
85.1
84.7
-150
89.2
89.0
-160
93.5
93.2
-170
97.7
97.4
-180
102.0
102.0
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=-2.36628±0.0025
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=-2.36247±0.00443
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。