PN结正向压降温度特性测试仪

一、实验目的

1. 了解PN结正向压降随温度变化的基本关系。
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。

二、实验设备

    TH-J型PN结样品实验仪、TH-J型PN正向压降温度特性实验组合仪、220V三芯电源线、加热连接线、信号连接线、测试仪输出线、0.5A保险丝。

三、实验原理

理想PN结的正向电流和压降存在如下近似关系式。
                                (1)
其中q为电子电荷;K为波尔兹曼常数;T为温度;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、掺杂浓度等有关的常数;r也是常数;为零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。
将(2)式带入(1)式,两边取对数可得
                   (3)
其中                     

方程(3)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=常数,则正向压降只随温度而变化,在方程(3)中,除线性项外还包含非线性项。下面讨论非线性项所引起的线性误差。
设温度由变为T时，正向电压由变为可得
                     (4)
按理想的线性温度响应,应取如下形式
    理想=                             (5)
等于温度时的值，可得
V理想=                  (6)
由理想线性温度响应(7)和实际响应式(4)式相比较,可得实际响应对线性的理论偏差为
                      (7)
综上所述,在横流供电条件下，PN结的对T的依赖关系取决于线性项，即正向压降几乎随温度升高而线性下降吗，这就是PN结测温的依据。必须指出，上述结论仅适用于杂志全部电离，本征激发可以忽略温度区间，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,说明-T的特性还随PN结的材料而异,为了改善线性度,但并不能从根本上解决问题，目前行之有效地方法大致有两种:
1. 利用对管的两个be结，分别在不同电流和下工作,由此获得两者之差与温度成线性函数关系:

由于晶体管的参数有一定的离散性,实际与理论仍存在误差,但与单个PN结相比其线性度与精度均有所提高,这种电路结构与横流、放大等电路集成一体,变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）式可知，非线性误差来自Tr项，利用函数发生器，IF比例于温度的r次方，则VF－T的线性理论误差为Δ＝0。实验结果与理论值颇为一致，其精度可达0.01℃。

四、实验内容与步骤

1.实验系统检查与连接
A.取下样品室的套筒，待测PN结管和测温元件应分放在铜座的左、右两侧圆孔内,其管脚不与容器接触，然后放好筒盖内的橡皮O圈，装上套筒。O圈的作用是当样品室在冰水中进行降温时，以防止冰水深入室内。
B.控温电流开关置“关”位置，此时加热指示灯不亮。接上加热电源线盒信号传输线、两者连线均为直插式，在连接信号线时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，再按插头的紧线夹部位，即可插入。拆除时，应拉插头的可动外套，不可鲁莽左右转动。
1. 或得测量和调零
将样品室埋入盛有冰水的杜瓦瓶中降温，开启测试仪电源，经预热数分钟后，将“测量开关”拨到，由调节使=50uA,待温度冷却至0°时，将K拨到，记下值，再将K置于，由调零，使=0.
本实验的起始温度可直接从室温开始，按上述步骤，测量并使=0.
2. 测定曲线
取走冰瓶，开启加热电源，逐步提高加热电源进行变温实验，并记录对应的和T，在整个实验过程中，升温速率要慢。且温度不宜过高，控制在120°左右。
3. 求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S。作-T曲线，其斜率就是S。
4. 估算被测PN结材料硅的禁带宽度电子伏。根据（6）式，可得

五、实验数据

压降每变化10~15mv时记录温度值，填入下表

温度 （°C）
.压降 （mv）

实验起始温度   =              
工作电流       =
起始温度为时的正向压降   =