pn结正向压降温度特性研究
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和应用
PN结正向压降与温度关系的研究和应用引言：PN结是半导体器件中常见的结构之一，其正向压降与温度之间的关系对于半导体器件的设计和应用具有重要意义。
本文将对PN结正向压降与温度关系的研究和应用进行探讨。
一、PN结正向压降与温度关系的研究PN结的正向压降是指在正向偏置电压下，PN结两端电势差的大小。
正向压降与温度之间的关系直接影响到PN结的工作性能和稳定性。
因此，研究正向压降与温度关系对于PN结器件的性能优化至关重要。
1.1PN结正向压降随温度的变化规律实验研究表明，PN结的正向压降随温度的增加而减小。
这是由于温度升高，PN结内部的载流子浓度增加，导致正向压降减小。
但是，在一定范围内，正向压降与温度之间存在一个非线性的关系。
当温度升高到一定程度时，由于热激发效应和载流子迁移速度的变化，正向压降开始增大。
1.2温度对PN结的载流子浓度分布的影响温度的改变会引起PN结内的载流子浓度分布的变化，从而影响其正向压降。
一般来说，温度升高会导致载流子浓度的增加，进而减小正向压降。
这是因为升高温度可以提高载流子的能量，从而使得更多的电子和空穴从价带跃迁到导带，增加了导电性能。
1.3温度对PN结的载流子迁移率的影响温度的变化还会影响PN结内载流子的迁移率，进而改变其正向压降。
一般来说，温度的升高会导致载流子的迁移率减小，从而增加了载流子在PN结内的停留时间，减小了正向压降。
二、PN结正向压降与温度关系的应用2.1温度补偿电路由于温度变化对PN结正向压降的影响，可以利用温度补偿电路来校正正向压降的变化。
温度补偿电路的原理是利用与温度成反比的电压源在PN结上产生一个与温度变化补偿相等的电压，从而实现对正向压降的补偿，保持其稳定性。
2.2温度传感器根据PN结正向压降与温度的关系，可以设计成温度传感器。
通过测量正向压降的变化，就可以推算出所测量的温度。
这种基于正向压降的温度传感器具有结构简单、成本低廉等优点，在很多领域有广泛的应用。
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。
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。
1PN结正向压降和温度关系的研究
1PN结正向压降和温度关系的研究引言：PN结是最常见的半导体器件之一，它具有正向导通和反向截止的特性。
在PN结正向导通状态下，电流能够流过晶体管，而正向压降是电流在PN结上产生的电压降。
正向压降与温度之间存在一定的关系，这对于设计和优化电子器件的工程师来说非常重要。
因此，本文将对PN结正向压降与温度关系的研究进行讨论。
正向压降的定义：PN结的正向压降是指在正向极性下，电流通过PN结时产生的电压降。
在正常工作条件下，当PN结正向偏置电压增加时，正向导通电流也会逐渐增大。
根据欧姆定律，电压降正比于电流，并可以表示为Vf=If*Rf，其中Vf是正向压降，If是正向电流，Rf是PN结的正向电阻。
温度对PN结正向压降的影响：温度对PN结正向压降有直接的影响。
随着温度的升高，PN结的导电性会发生变化，从而对正向压降产生影响。
在低温下，半导体中载流子的运动受限制，同时PN结的扩散电阻增加，导致正向压降较大。
而在高温下，由于晶体中载流子的热激发增多，电阻减小，正向压降减小。
因此，可以得出一个结论：PN结的正向压降随着温度的升高而减小。
正向压降与热失真的关系：除了温度对PN结正向压降的直接影响外，温度还会对半导体材料的电阻特性产生影响，从而影响到正向压降。
由于热失真的存在，半导体材料的电阻随温度的变化而变化。
在PN结正向导通过程中，由于电流通过PN结时会产生热量，这将导致PN结局部局部温度升高。
随着局部温度的升高，材料的电阻值也会随之增大。
因此，在实际工作中需要考虑到这种热失真的影响，以准确计算和优化PN结的正向压降。
结论：PN结的正向压降与温度之间有一定的关系。
随着温度的升高，PN结的正向压降会减小。
这是由于温度升高导致半导体材料载流子的热激发增多，电阻减小的结果。
此外，温度还会引起热失真，导致电阻随温度变化，进一步影响到PN结的正向压降。
因此，研究PN结正向压降与温度关系对于电子器件的设计和优化具有重要意义，能够帮助工程师准确计算和改进器件的性能。
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
实验41 pn结正向压降温度特性研究(luo)
ΔV 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 ......
t tr
≈100℃
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。
ΔV 0 10 20 30 40 50 60 ......
t tr
tr ≈ 100° C
1
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. 测量恒流条件下PN结正向电压随温度变化的曲
线； 3. 确定PN结的测温灵敏度和被测PN结材料的禁
带宽度。
2
二、实验原理
1.PN结温度传感器的基本方程 在温度为T 时，PN结的正向电压公式可写为
VF = V 1 + Vnγ
其中
V1
Vg(0) = VF (tr ) + (273.2 + tr )S
④按下式进一步算出PN结材料的禁带宽度。
Eg(0) = q[VF (tr ) + (273.2 + tr )S ]
⑤按书上要求对实验结果进行分析比较。
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。
23
由此可得 ΔV = −S(T − TR ) = −S(t − tR ) T = 273.2 + t 若令 tR = 0° C ，则 ΔV 表示为:
ΔV = −St 摄氏温标下的测温原理公式4
2.PN结材料的禁带宽度 PN结材料的禁带宽度定义为
Eg (0) = qVg (0)
Vg(0) — 热力学温度为0K时，PN结材料的导带底和
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实验 pn 结正向压降温度特性研究
【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、在恒定正向电流下,测绘pn 结正向压降随温度变化曲线,并由此确定其灵敏度.
3、学习用pn 结测温的方法.
【实验仪器】
1、DH-PN-1型pn 结正向压降温度特性实验仪
【实验原理】
1、pn 结
在一块完整的硅或锗上用不同的工艺掺入杂质,使得其一半成为P 型半导体,而另一半成为N 型半导体,那么,在这两种半导体的交界处就会形成pn 结.
在P 型与N 型半导体结合后,由于P 型半导体具有较高浓度的空穴,而N 型半导体具有较高浓度的自由电子,在他们交界处的两边就出现了电子与空穴的浓度差别.从而,电子与空穴都要朝着较低浓度的方向扩散.这种扩散作用,使得在P 、N 交界处之间形成了具有一定大小的扩散电流.
另一方面,由于P 型半导体中空穴的流失,使得P 型半导体中留下了一定量带负电的离子;而N 型半导体中由于电子的流失,使得其中留下了一定量的正离子.由于正负电荷之间的相互作用,使得在交界薄膜中形成了从N 型半导体指向P 型半导体的空间电场.而空间电场的形成使得一部分的空穴与电子沿与扩散相反的方向运动,形成漂移电流.
空穴与自由电子的扩散使得空间电场增强,而空间电场的增强却又抑制空穴与电子的扩散,从而,在一段时间之后,扩散电流将与漂移电流达到动态平衡.而在P 型与N 型半导体的两侧则会留下不能自由移动的离子薄层,而这个离子薄层
在P 、N 半导体交界面附近所构成的过渡区（空间电荷区）, 图1 PN 结 即称为pn 结.
2、pn 结的正向压降温度特性
根据pn 结理论, pn 结的伏安特性可表达如下:
01F qU kT F I I e ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
（1-1） 式中F I 为通过pn 结的正向电流, F U 为其正向电压, 0I 为反向饱和电流; q 为电子的电荷量, T 为绝对温度23
1.3810
/k J K -=⨯是玻尔兹曼常量当正向电压0.1F U V >时, 3.9501F
qU kT
e
e ≈≈?,故上式可近似为
0F
qU kT
F I I e
= （1-2）
由式（1-2）得
0ln ln F
qU kT
F I I e
=
⇒ 0ln ln F F qU
I I kT =+
又 0g
qU kT
I BT e
γ-=
⇒ ()ln ln F F g q I BT U U kT γ=+-
ln F g F kT BT U U q I γ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
(1-3) 式（1-3）即为pn 结两端正向电压与其温度、通过电流之间的关系.其中, g U 为0K 时材料的导带底与价带顶间的电势差, B 是与温度无关的实验常数, T γ
是与温度有关的函数项, γ为与热激发所引起的电子迁移
率有关的系数.
取F I 为一常数,则（1-3）式转化为通过pn 结的电压F U 与pn 结温度T 之间的关系. 对F U 取一阶导数,得
ln F
F dU k BT q I dT
γγ⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭ （1-4） F
dU dT
即代表了F U T -图线的斜率,由（1-4）可以看出, 斜率为负,F U 随温度T 的上升而下降. 对F U 取二阶导数,得
22F d U k qT dT
γ=- （1-5） 其中，23
1.3810
k -=⨯、19
1.6010
q -=⨯,取 3.4γ=,293.15T =得，
262 1.0100F d U k qT dT
γ-=-≈⨯→ 即, F U T -图线的斜率可近似认为一常数, F U T -可近似认为是一条直线. 根据（1-3）式
ln ln ln F g g F F kT kT kT BT B U U U T q I q I q γγ⎛⎫=-=-- ⎪⎝⎭
(1-6) 设,温度为1T 时,电势差为1U
1
1
11ln ln g F
kT kT B
U U T q
I q
γ=-
-
又 ln ln g F F kT
kT B
U U T q
I q
γ-=+
得 ()
1
1
11ln g g F T kT T U U U U T
q T γ
⎛⎫
=---
⎪⎝⎭
(1-7) 由上推导可知, F U 应与T 呈线性关系,故设
()(
)11F
F U U T U T T T ∂=+
-∂
()1()g
F
F U U k U T T T q
γ-=--- ()(
)1
1g
F F U
U T k U T T T q γ
-=-
-- (1-8)
令 ()()11111ln kT T k U U T U T T q q T γ
γ⎛⎫
=-=--+ ⎪⎝⎭
V (1-9) 设300T K =、1310T K =，取 3.4γ=可得0.048U mV =V ,而相应的正向压降则改变了20mV ,差值约为417倍,相比之下,误差甚小.不过当温度变化过大之后F U T -图线的线性误差将有所递增.
由于F U 与T 呈很好的线性相关性,故可利用F U 的细微变化来测量当前环境的温度.这也是温敏二极管测温的基本原理.
【实验步骤】
1、打开pn 结正向压降温度特性实验仪并调节加热电流值为零,记录起始温度.
2、将“测量选择”开关调节到F I 档,调节F I 旋钮,使得面板上F I 的值为零.
3、将“测量选择”开关调节到F U 档,记下初始时的F U 值.
4、将“测量选择”开关调节到U V ,调节调零旋钮,使得0U =V .
5、调节加热电流为0.500A ,并记录所对应的U V 和T 值.当U V 每改变10mV 时记录一次T 值.直到pn 结温度达到大约100℃为止.
6、画出U T -V 图像,并求被测pn 结正向压降随温度变化的灵敏度()/S mV ℃. 8、估算被测pn 结材料的禁带宽度g g E qU =.
9、实验结束,收拾仪器.
注意事项
1、加热装置的温升不应超过120℃,长期的过热使用,将造成接线老化,甚至脱焊.
2、加热电流不应大于0.500A ,若长期使加热电流过大,会使得仪器未来的加热效率变低.
3、使用完毕后即应切断电源,以避免长时间加热引起的安全事故.
【实验数据整理】
表一：-U T V 测量数据
其中,初始正向电压0667U mV =.
【数据处理过程及结论】
数据处理
1、根据数据,画出U T -V 图像如下
d e t U
T
通过线性拟合,得到 2.0337.75U T =-+V ,2
0.99995R =
2、由 2.0337.75U T =-+V 得到被测pn 结正向压降随温度变化的灵敏度为： 2.03/S mV =-℃.
3、被测pn 结材料的禁带宽度
()0g g E qU q U S T ==-V
[667 2.03(18.2273.15)]q =+⨯+
1.26eV ≈
实验结论 1、通过本次实验,测得pn 结两端正向电压与其上的温度变化呈很好地线性关系.判断是因为温度升高导致P 、N 型半导体更容易激发出空穴与自由电子.加正向电压时,由于载流子浓度的上升,使得漂移作用更加明显,
pn 结的导电能力增强.宏观上表现为pn 结的电阻降低,故在相同的正向电流F I 下,温度上升将导致pn 结的
正向电压F U 下降.故以此推测:由于在温度过高的情况下, pn 结内载流子浓度的迅速增加（温度上升,使得空穴与自由电子的运动速度上升,在一定程度后,它们将有足够的能量撞击半导体分子,使得共价键被破坏,逸出更多的电子）,这将导致pn 结的正电压迅速下降,故原理中的线性推导在温度过高时将不在适用,则温敏二极管不能准确测量较高的温度.
2、通过本次实验,测得待测pn 结正向压降随温度的变化关系具体可表示为
2.0337.75U T =-+V
其正向电压随温度变化的灵敏度 2.03/S mV =-℃.
3、通过本次实验测得被测pn 结材料的禁带宽度 1.26g E eV ≈.。