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。