大学物理 PN结温度特性
PN结正向压降温度特性的研究
PN 结正向压降与温度特性的研究0419 PB04204051 刘畅畅实验目的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PN 结正向压降是有关电流和温度这两个量的函数表达式，它是PN 结温度传感器的基本方程。
令F I ＝常数（实验中取50F I A μ=），则正向压降只是温度的函数，即其只随温度而变化，且在一定的范围内是线性的关系。
而且其线性关系比较好，但当温度变化范围较大时，温度响应的非线性误差将有所递增。
根据V T ∆-的曲线斜率便可以算出PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S ()/mV C 。
在忽略非线性误差后可以估算被测PN 结材料的禁带宽度()()00g g E qV =电子伏。
数据处理与分析一．测量实验初始状态开启测试仪电源，预热10～15分钟。
将“测量选择”开关K 拨到F I ，用“F I 调节”旋钮使显示屏上的示数为50A μ，此时50F I A μ=。
将K 拨到F V ，记下F V 的值。
再将K 拨到V ∆档，用“V ∆调零”旋钮使0V ∆=。
测得的数据记录如下： 实验起始温度：16.5Ts C = 工作电流：50F I A μ=起始温度为Ts 时的正向压降：()641F V Ts mV =二．测定V T∆-曲线，并求得灵敏度S∆-曲线的斜率即为PN结正向压降随温度变化的灵敏度S。
V T1．升温过程打开控温电流，使其由0.1A开始缓慢增大，最大不要超过0.7A。
记录下F V每变化（减小）10mV所对应的温度值T。
测得的数据记录如下：C T16.521.1得到升温过程的V T ∆-图：-200-180-160-140-120-100-80-60-40-20020 V /m VLinear Regression for Data1_B: Y = A + B * XParameter Value Error------------------------------------------------------------ A 31.65452 0.1919 B -1.97965 0.00285------------------------------------------------------------R SD N P------------------------------------------------------------ -0.99998 0.3434 19 <0.0001------------------------------------------------------------从以上数据中可以得到： 斜率B= 1.97965/mV C - 线性拟合相关系数0.99998R =-即：PN 结正向压降随温度变化的灵敏度 1.97965/S mV C =-T/C斜率的标准差为：()31.979653.0310/mms ms mV C-==-∴=-⨯所以PN结正向压降随温度变化的灵敏度最终结果是：()1.97970.0030/S mV C=-±2．降温过程关闭控温电流，打开样品室，使其自然冷却。
大学物理实验PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究讲义
PN 结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究一、实验目的1．了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式，了解用PN 结测温的方法。
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．了解二极管的正向伏安特性，测量波尔兹曼常数。
二、实验原理（一）PN 结正向压降与温度的关系理想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 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）（注：（1），（2）式推导参考 刘恩科 半导体物理学第六章第二节）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()rn 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，它是PN 结温度传感器的基本方程。
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，V F 应取如下形式：)(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5） TV F ∂∂1等于T 1温度时的T V F ∂∂值。
大学物理实验：PN结
三 、实 验 装 置 实
PN结样品架 1、PN结样品架
A为样品室，是一个可 为样品室， 卸的筒状金属容器， 卸的筒状金属容器， 筒盖内设橡皮圈盖与 筒套具相应的螺纹， 筒套具相应的螺纹， 可使两者旋紧保持密 封。 待测PN PN结样管采用 待测PN结样管采用 3DG6晶体管 3DG6晶体管
P1
P2
一、实 验 目 的
1、了解PN结测温基本原理和应 了解PN结测温基本原理和应 PN 用 。 2、验证PN结正向压降随温度升 验证PN结正向压降随温度升 PN 高而降低的特性。 高而降低的特性。 3、学会使用PN结温度传感器测 学会使用PN结温度传感器测 PN 试仪。 试仪。
二、实 验 原 理
PN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。 PN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。 结是指 在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N 在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N型导 电区相接触的截面形成了P 电区相接触的截面形成了P-N结 VF 一般来说， 一般来说，对于一个理想 的PN结，其正向电流IF和压降 PN结 其正向电流I VF 存在如下近似关系： 存在如下近似关系： P
2、∆VT曲线的测定 逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆ 逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆V和T， 在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃， 在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃， 120℃ 记录数据填入数据表。 记录数据填入数据表。 （要求电压每下降-10V，记录一次温度） 要求电压每下降-10V，记录一次温度） 3、求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mv/℃） 求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S mv/℃ PN结正向压降随温度变化的灵敏度 方法是： 方法是：作△V-T曲线，其斜率就是S。最后再通过画曲线 曲线，其斜率就是S 求得。 求得。 T 0
PN结温度特性与伏安特性的研究
实验报告
课程名称普通物理实验2 实验项目PN结温度特性与伏安特性的研究专业班级姓名学号
指导教师成绩日期2022年9月11日
图1 PN结温度传感器
实验报告内容：一实验目的二实验仪器（仪器名称、型号）三实验原理（包括文字叙述、公式和原理图）四.实验内容与步骤五、实验原始数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（主要分析实验的误差来源和减小误差的方法，对实验过程和实验结果的评价和对实验方法或实验装置的建议等）八.思考题
也是常数；
,
温度时的
即为灵敏度
这是非线性项可知，
的普遍规律。
此外，由公式可知，减小
就可
图2 二线制电路图
图3 三线制电路图
图5 I F−V F曲线）求玻尔兹曼常数K并计算误差
K=q
T
ln
I F
2
I F
1
(V F
1
−V F
2
)=1.393(10−23J/K)
E=Δ
X ×100%=1.393−1.38
1.38
×100%=0.93%
图6 V F −T 曲线
）计算灵敏度S 和禁带宽度E g (0) 曲线得：
=∆V F ∆T ⁄=−0.0023(V ℃⁄)=−2.3(mV ℃⁄) E g (0)=qV g (0)=1.2026eV
六、实验结果。
大学物理实验报告实验55PN结正向电压温度特性的测定
大学物理实验教案实验名称：PN 结正向电压温度特性的测定1 实验目的１）了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。
２）掌握用计算机测绘恒流条件下PN 结正向电压随温度变化的关系曲线。
３）确定PN 结的测温灵敏度。
2 实验仪器科学工作室接口、放大器、恒流源、计算机3 实验原理3.1实验原理PN 结是半导体器件的核心。
在P （或N ）型半导体中，用杂质补偿的方法将其中一部分材料转变成N （或P ）型，这样，在两种材料交界处就形成了PN 结，它保持了两种材料之间晶格的连续性。
P 区多子空穴比N 区少子空穴浓度大，空穴由P 区向N 区扩散，并与N 区的多子自由电子复合，在N 区产生正离子的电荷区；N 区多子自由电子比P 区少子自由电子浓度大，自由电子由N 区向P 区扩散，并与P 区的多子空穴复合，在P 区产生负离子的电荷区。
P 区和N 区的电荷区之间形成电场，在此电场作用下产生与扩散运动相反的情况，它阻止扩散运动的进一步加强。
最终形成两种运动的动态平衡。
我们把这个空间电荷区叫PN 结，有时也叫作耗尽层。
根据半导体理论，通过PN 结的正向电流e I IkT qV s f =（1） 式中：I f ——正向电流（mA ）；V f ——正向压降（V ）；I s ——反向饱和电流（mA ）；q电子电量（e ）；k ——波尔兹曼常数；T ——热力学温度（K ）。
而：e T I kT V goq B A s -=（2）式（2）中：V go ——能带间隙电压（V ）；A 、B ——由PN 结工艺结构所决定的常数。
由（1）、（2）式经整理后，PN 结正向压降的温度灵敏度S 为：)(q kB T f go dT f d S V V V +--== （3）根据这一特性，PN 结可作为温度传感器来使用。
3.2实验方法本实验通过电加热的方法提供给PN 结一个温度可以变化的热源，利用精确的温度传感器测量温度。
把待测的PN 结放置热源中，并利用恒流源给定待测PN 结一个恒定电流，PN 结两端则接入一高稳定放大器进行电压放大后，连接到自定义电压传感器来测量电压。
【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。
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
大学物理实验报告23——PN结温度传感器特性
天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[exp(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (2)也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。
若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出/e kT 。
在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。
实验线路如图1所示。
2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。
其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。
运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。
因而有：00(1)i i s f fU U U K I R R -+== (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为001i f fx s U R R Z I K K ==≈+ (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图图2 电流－电压变换器i s fr U U I Z R ==- (6) 只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。
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式中C是与PN结的结面积、掺杂浓度等有关的常数，k 为玻尔兹曼常数，r在一定范围内也是常数，Vg（0）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结材料，Vg（0）是一个定值。
将公式（2）代入公式（1），两边取对数，整理后可得：
（3）
其中
，
式（3）是PN结正向电压作。
设t=tR 0C时，令
=0，则有
（4）
而对于其它温度t0C有
定义
为PN结温度传感器灵敏度，则有
或
（5）
这就是PN结温度传感器在摄氏温标下的测温原理公式。
4． 确定PN结材料的禁带宽度
PN结材料的禁带宽度Eg（0）定义为电子的电量q与热力 学温度0K时PN结材料的导带底和价带顶的电势差Vg（0） 的乘积，即 由公式（4），可得
+ + + + + + + + + + + +
-
-
-
-
P
空穴扩散方向
动态平衡
+ + + + + + + + + + + +
空间电 荷区
少子漂移运动
+ + + +
-
-
-
-
内电场
•2．PN结温度传感器的基本方程
理想PN结的正向电流IF和正向电压VF存在如下近似 关系式：
（1）
式中q为电子电量，T为热力学温度，In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：
样品架结构如右图所示。 其中A为样品室，是一个可卸 的筒状金属容器。待测PN结 样管和测温元件均置于样品座 B上，其管脚通过高温导线分 别穿过两旁空心细管与顶部插 座P1连接。被测PN结的温度 和电压信号通过P1插件的专用 线输入测试仪。
样品架
引线架
TH-J型PN结正向压降温度特性测试仪
PN 结正向电压温度特性研究
五邑大学物理实验中心 2010.3
PN结的两个显著特性
导电性：单向导电
二 极 管
温度特性：正向电压降受 温度影响显著,且在一定 条件下具有线性关系
温 度 传 感 器
PN结的伏安特性随温度变化示意图
电子扩散方向
1. PN结的形成
浓度差 多子扩散运动 空间电荷区 内电场 N + + + +
当t = tR时，T=273.2+t，VF=VF（tR）有
所以，
（6）
实验目的：
1． 了解PN结正向电压随温度变化的基本规 律。 2． 测绘恒流条件下PN结正向电压随温度变 化的关系图线。 3． 确定PN结的测温灵敏度和被测PN结材料 的禁带宽度 。
TH-J型PN结正向压降温度特性实验仪
样 品 架
3．PN结测温原理和温标转换
对给定的PN结材料，在允许的温度变化区间内，在 恒流供电条件下，PN结的正向电压VF对温度的依赖关 系取决于线性项V1，正向电压VF几乎随温度升高而线 性下降。即
这就是PN结测温的依据。 温度T是热力学温度，在实际使用时会有不变之处， 为此，我们进行温标转换，采用摄氏温度 t 来表示。 即 T=273.2+t 令VF在室温时的值为VF（tR）,则在TK时VF的 值为 代入公式（3），有