PN结正向压降温度特性研究的实验报告
实验12PN结正向压降与温度关系的研究
实验12 PN 结正向压降与温度关系的研究随着半导体工艺水平的不断提高和发展,半导体PN 结正向压降随温度升高而降低的特性使PN 结作为测温元件成为可能,过去由于PN 结的参数不稳,它的应用受到了极大限制,进入二十世纪七十年代以来,微电子技术的发展日趋成熟和完善,PN 结作为测温元件受到了广泛的关注。
温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温度系数传感器的阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN 结属于负温度系数的传感器。
这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如铂电阻虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。
相比之下，PN 结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而获得了广泛的应用。
一.实验目的1． 了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN 结F F V I -特性曲线。
2． 测绘PN 结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN 结材料的禁带宽度。
3． 学会用PN 结测量温度的一般方法。
二.实验仪器．SQ-J 型PN 结特性测试仪，三极管（3DG6），测温元件，样品支架等。
三．实验原理1．PN 结F F V I -特性的测量由半导体物理学中有关PN 结的研究可以得出PN 结的正向电流F I 与正向电压F V 满足以下关系；F I =s I （exp kTeV F -1） ⑴ 式中e 为电子电荷量、k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，s I 为反向饱和电流，它是一个与PN 结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。
由于在常温（300K ）下，kT/q=0.026,而PN 结的正向压降一般为零点几伏,所以expkTeV F 》1,上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有kTeV Is I F F exp = ⑵ 这就是PN 结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN 结的F F V I -关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T 后,就可得到e/k 常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k 。
PN结正向压降与温度关系的研究实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究实验报告实验报告：PN结正向压降与温度关系的研究实验摘要：本实验旨在研究PN结正向压降与温度之间的关系。
通过改变PN结的温度，测量对应的正向压降，并分析得出结论。
实验结果表明，PN结的正向压降与温度呈正相关关系。
引言：PN结是半导体器件中的重要组成部分，其正向压降是衡量PN结导通能力的重要参数。
正向压降与温度之间的关系对于理解和优化半导体器件的性能具有重要意义。
因此，研究正向压降与温度之间的关系对于半导体器件的应用具有重要的理论和实际意义。
实验材料和方法：1.实验材料：PN结样品、测量仪器（包括数字万用表、恒流源等）。
2.实验方法：a.搭建实验电路，将PN结样品连接到恒流源，设置合适的电流值。
b.测量不同温度下PN结的正向压降，记录实验数据。
c.对实验数据进行处理和分析，得出结论。
实验结果：在实验过程中，我们固定了恒流源的电流值为I=10mA。
通过改变PN结的温度，在不同温度下测量了对应的正向压降数据，将实验数据整理如下：温度(℃)正向压降(V)250.6300.65350.68400.7450.72500.75550.78600.82讨论和结论：实验结果表明，PN结的正向压降与温度呈正相关关系。
这可能是由于温度升高导致了载流子在PN结中的增加，进而导致了正向电流的增加，从而使正向压降增加。
此外，温度升高还可能导致半导体材料的电阻变化，进而影响了正向压降。
综上所述，通过对PN结正向压降与温度关系的研究实验，我们发现正向压降与温度呈正相关关系。
这对于理解PN结的导通特性和优化半导体器件的性能具有重要意义。
附录：实验数据表格温度(℃)正向压降(V) 250.6300.65350.68400.7450.72500.75550.78。
PN结正向压降与温度关系的研究和应用实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究和应用一、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、在恒流条件下，测绘PN结正向压降随温度变化的曲线,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、实验原理图1 p-n结基本结构价带顶部激发电子到导带相当于共价键上缺少一个电子而出现一个空位置，而在晶格间隙出现一个导电电子。
空状态带有正电荷，叫“空穴”。
空穴能导电，具有有效质量。
**n p m m -=3.PN结的形成当p型半导体和n型半导体接触在一起时,在两者的交界面处存在着一个过渡区,通常称为p-n结.三、实验仪器•TH-J型PN结正向压降与温度关系测量仪•五芯电缆一根四、实验步骤1、实验系统的连接控制电流开关置“关”的位置，此时加热指示灯不亮，接上加热电源线及信号传输线将样品室与仪器相连。
注意定位标记。
拆除时应拉插头外套不可硬拉和转动。
2、V ~T 的测量和调零 开启仪器背部的电源开关，加热数分钟后，将“测量选择”开关（以下简称K ）拔到 档，由“ 调节”使 =50µA ，记下当时温度值。
将K 拔到△V 档，由 “△V 调零”使△V=0。
3、 测曲线开启加热电源（指示灯亮）加热电流范围0.2～0.3A ，并记录△V 和T 值，按每改变10mV 立即读取相应T 值。
为使整个实验符合热力学条件，在实验过程中升温速度要慢。
4、求被测PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S （ ）F/mv C作 曲线，求斜率S 。
五、实验数据记录V(mv)-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65-70 T( C) 24.1 26.4 28.6 30.8 33.0 35.2 37.4 39.5 41.7 43.8 46.0 48.2 50.3 52.4实验起始温度： 21.4℃工作电流： = 50µA 起始温度时的正向压降： 573mV六、数据处理过程及结果、结论s T =FI ()F R V T =七、注意事项1、仪器连接线的芯线较细，所以使用时应注意，不可用力过猛。
【大学物理实验(含 数据+思考题)】PN结正向电压温度特性研究实验报告
PN 结正向电压温度特性研究一、实验目的（1）了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。
（2）在恒流供电条件下，测绘PN 结正向电压随温度变化的关系图线，并由此确定PN 结的测温灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
二、实验仪器PN 结正向特性综合实验仪、DH-SJ5温度传感器实验装置。
三、实验原理1、测量PN 结温度传感器的灵敏度 由半导体理论可知，PN 结的正向电流I F 与正向电压V F 满足以下关系：I F =I n (ⅇqV FkT−1)（1）式（1）中I n 是反向饱和电流，T 是热力学温度，q 是电子的电量。
由于在常温（例如300K ）时，kT/q 约为0.026V ，而PN 结正向电压约为十分之几伏，所以ⅇ^((qV_F)/kT)≫1，故式（1）中括号内的−1项完全可以忽略，于是有： I F =I n ⅇqV F kT（2）其中，I n 是与PN 结材料禁带宽度及温度等有关的系数，满足以下关系：I n =CTγⅇqV g0kT（3）式（3）中C 为与PN 结的结面积、掺杂浓度等有关的常数，k 为玻尔兹曼常数，γ在一定温度范围内也是常数，V g0为热力学温度0K 时PN 结材料的导带底与价带顶的电势差，对于给定的PN 结，V g0是一个定值。
将式（3）代入式（2），两边取对数，整理后可得：V F =V g0−(k q ln C I F )T −kTqln T γ=V 1+V nr （4）其中V 1=V g0−(k q ln CI F)T （5） V n r =−kTqln T γ （6）根据式（4），对于给定的PN 结材料，令PN 结的正向电流I F 恒定不变，则正向电压V F 只随温度变化而变化，由于在温度变化范围不大时，V n r 远小于V 1，故对于给定的PN 结材料，在允许的温度变化范围内，在恒流供电条件下，PN 结的正向电压V F 几乎随温度升高而线性下降，即 V F =V g0−(k q ln CI F)T（7）为了便于实际使用对式（7）进行温标转换，确定正向电压增量∆V [与温度为0℃时的正向电压比较]与用摄氏温度表示的温度之间的关系。
PN结正向压降与温度关系的研究和应用实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究和应用实验报告摘要：本实验通过测量PN结正向偏置情况下的正向压降随温度的变化，研究PN结的温度特性，并探索其在实际应用中的可能的应用。
引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，其正向特性在电子学领域具有重要的应用价值。
而PN结的温度特性对于器件的工作稳定性和可靠性有较大的影响。
因此，研究PN结的温度特性，尤其是正向压降与温度的关系，对于提高器件性能有着重要意义。
实验目的：1.研究PN结的温度特性，特别是正向压降随温度的变化规律；2.探索PN结温度特性相关的应用，例如热敏电阻等。
实验原理：PN结在正向偏置情况下，通过正向电流使得P区载流子与N区载流子复合，产生电压降。
根据热力学原理，温度升高会提供更多的热能，促使载流子的热激发增加，从而降低正向电压的阻挡力。
因此，PN结正向压降与温度呈负相关。
实验步骤：1.搭建实验电路：将PN结与电源和电流测量仪连接，确保电路连接正确。
2.在实验装置中设置好温度传感器，与PN结接触。
3.调节电源的正向电流，并分别测量不同温度下的正向压降和电流。
4.依次调节不同温度下的电流，重复步骤3，记录数据。
实验结果：将测得的正向电流和压降数据制成表格，并绘制电压-温度曲线和电流-温度曲线。
讨论：通过分析实验结果，可以发现PN结的正向压降随着温度的升高而逐渐降低，且呈现较大的线性关系。
这与实验原理的推测相符合。
应用：基于PN结正向压降与温度的关系，我们可以将其应用于热敏电阻的制备和温度测量。
热敏电阻可以根据PN结的特性，根据温度的变化来改变电阻值，从而实现温度的感应和测量。
这在实际工业控制和家用电器中具有广阔的应用前景。
结论：通过本实验研究PN结的温度特性，我们发现PN结的正向压降随着温度升高而逐渐降低，并且可以将该特性应用于热敏电阻的制备和温度测量中。
实验结果对于提高PN结的性能和应用具有重要参考价值。
大学物理实验PN结正向压降温度特性的研究实验报告
∆ = | Eg (TS ) − E(TS ) | = |1.209 −1.21| = 0.0008 = 0.08%
E(TS )
E(TS )
1.21
在升温过程中 S=-2.19805mV/℃,那么根据公式计算得 Vgv = VF (TS ) + VF (0) ∆T = VF (273.2 + TS ) + S ⋅ ∆T = [598 /1000 + (−2.19805) × (−273.2) /1000]V = 1.199V
T T1
r
V F理想
= VF1
+
∂VF1 ∂T
(T
− T1 )
[ ] V理想 = VF1 + − Vg − VF1 − k r(T − T1 ) = Vg (0) − Vg (0) − VF1 T − k (T − T1 )r
T1
q
T1 q
两个表达式相比较，有：
∆ = V理想 − VF = − k r(T − T1 ) + kT Ln( T )r
c IF
T
( ) Vn1 = − KT InT r q
在上面 PN 结正向压降的函数中，令 IF=常数，那么 VF 就是 T 的函数。 考虑 Vn1 引起的线性误差，当温度从 T1 变为 T，电压由 VF1 变为 VF：
[ ] VF
= Vg (0) −
Vg (0) − VF1
T T1
−
kT q
1 n
0
-20
A
-40
Linear Fit of Data1_A
-60
PN结正向压降温度特性的研究实验报告
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I F 和压降V F 存在如下近似关系 )exp(kTqV Is I FF = （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 ])0(ex p[kTqV CT Is g r-= （2）其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (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 11)0(n r Fg F V V InT q kT T I c In qkV V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （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I F =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V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。
设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得[]rn F g g F T T q kT T T V V V V ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=1111)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式： )(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5）T V F ∂∂1等于T 1温度时的TVF ∂∂值。
由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=∂∂111)0(（6）所以()[]()r T T q kT T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)0()0(----=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+=理想 （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()r F T TLn q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆理想 （8）设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=*,由（8）式可得=，而相应的V F 的改变量约20mV ，相比之下误差甚小。
实验4.1 PN结正向压降温度特性研究(luo)
定义 则
k C S = ln 为PN结温度传感器灵敏度 q IF
VF = Vg (0) − ST
设任一温度T 时的VF值与参考温度TR 时的值 VF (TR ) 之 差为ΔV，即 VF = VF (T ) + ΔV
R
代入上式有 VF (TR ) + ΔV = Vg (0) − ST
VF (TR ) = Vg (0) − STR
图1
10
步骤二： 如图2所示：将“测量选择”键转到“IF”项；调节“IF调 节”旋钮，使IF 值为50μA.
图2
11
步骤三： 如图3所示：将“测量选择”键转到“ΔV”项；调节“ΔV 调零”旋钮，使 ΔV 值为0.
图3
12
步骤四： 旋转“控温电流”钮，开启加热电流（加热指示灯亮）。 （注意：刻度一般不要超过0.5，以防升温过快）。
7
数据处理要求
1. 按教材要求处理数据。 2. 用标准的坐标纸作图。 3. 数据处理应该有过程，单位，不能只写出结果. 4. 进行结果讨论。
8
实验操作指导
9
步骤一：（在背面电源已打开预热10分的基础上） 关闭“控温电流”开关；将“测量选择”键转到“VF”项； 记录显示屏上的温度值 tr 和对应VF （即 VF ( t r ) ）值.
第一组同学做升温实验（从室温开始）。
先将ΔV 值调为0，升温后达到表中第一行各值时记录下对应的温度填入第二行。
ΔV
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
...... ≈100℃
t
tr
tr ≈ 室温
第二组同学做降温实验（从100℃左右开始）
先将ΔV 值调为0，降温后达到表中第一行各值时记录下对应的温度填入第二行。
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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I F 和压降V F 存在如下近似关系 )exp(
kT
qV Is I F
F = （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 ])0(ex p[kT
qV CT Is g r
-
= （2）
其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (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 11)0(n r F g F V V InT q kT T I c
In q k V V +=-⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-= （3） 其中
()
r
n F g InT q
KT
V T I
c
In q k V V -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=11)0(
这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式。
令I F =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V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。
设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得 []
r
n F g g F T T q kT T T V V V V ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛---=111
1)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式： )(11
1T T T
V V V F F F -∂∂+
=理想 （5） T
V F ∂∂1
等于T 1温度时的T V F ∂∂值。
由（3）式可得
r q
k T V V T V F g F ---=∂∂111
)0( （6）
所以
()[]
()r T T q k T T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)0()0(----=-⎥⎦
⎤⎢⎣⎡---+=理想
（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
()r F T T
Ln q kT T T r q k V V )(1
1+--=-=∆理想 （8）
设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=3.4*,由（8）式可得∆=0.048mV ，而相应的V F 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，V F 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I F1，I F2下工作，由此获得两者电压之差（V F1- V F2）与温度成线性函数关系，即2
1
21F F F F I I In q kT V V =
- 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I F 比例于绝对温度的r 次方，则V F —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I F，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T R时的正向压降V F（0）或V F（T R），
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，∆V<0；若降温，则∆V>0，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I F，V F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I F，由“I F调节”使I F=50μA。
2)将K拨到V F，记下初始温度T和对应V F（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T S=26.0℃
工作电流 I F=50μA
起始温度为T S时的正向压降V F（T S）=609mV
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T V -∆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T V -∆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 E g （T S ）=[V V T S T V V S F gv 255.1]1000/)2.273()36628.2(609.0)(=-⨯-+=∆⋅+= 与公认值1.21比较有
%7.321
.1|21.1255.1|)(|)()(|)(=-=-=∆S S S g S T E T E T E T E
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 E g （T S ）=V V T S T V V S F gv 254..1]1000/)2.273()36247.2(609.0[)(=-⨯-+=∆⋅+= 与公认值1.21比较有
%6.321
.1|21.1254.1|)(|)()(|)(=-=-=∆S S S g S T E T E T E T E
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V F （0）或V F （T R ）的目的何在？为什么实验要求测∆V —T 曲线而不是V F —T 曲线。
答：测量V F （0）或V F （T R ）是为了能根据公式计算出在相应温度下的禁带宽度。
V F —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。