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

溫度 （°C）
.壓降 （mv）

實驗起始溫度   =              
工作電流       =
起始溫度為時的正向壓降   =