PN结正向伏安特性曲线随温度的变化

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化

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物理实验

第 2 3卷

第 l O期

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化胡险峰摘

朱世国

(川大学物理学院四川成都 60 6 )四 1 0 4要：绍了在不同温度下， N结正向伏安特性曲线的自动测量方法。论了 P结伏安特性与温度的关介 P讨 N

系 .由于正向结电压小于内建电势差，度升高或正向结电压增加，向结电流将增大，度升高反向结电流也相温正温应增加.当温度趋向 O时。向结电压趋向内建电势差 . K正关键词： N结 I安特性曲线 I度；建电势差 P伏温内中圈分类号： 7 04 5文献标识码： A文章编号￣ 0 54 4 (0 3 1— 0 60 1 0— 6 2 2 0 ) 00 0—4

V a i to f po ii e v t a pe e c r t r s i s o r a i n o s tv ol- m r ha ac e itc f

P j n to t e e a u e N u cin wih tmp r t rHU a -e g ZH U h— u Xin f n S ig o( y isCo lg,Sih a n v r iy,Ch n d Ph sc le e c u n U ie st e g u,Sc u n,6 0 6 ) ih a 1 0 4

Ab ta t s r c:Th u o me s rn a s o o iie v l— mp r h r ce itc fPN u c in e a t— a u i g me n fp st o ta e e c a a t rs is o v jn t oa dif r nt e pe at e S nt od e t fe e t m r ur i i r uc d, a t e e a i of nd h r l ton vol— m pe e ha ac ers is ta r c r t itc of PN

j n t n wi e e au e i dsu s d Du O p st e j n t n v l s l r t a ul— p u c i t tmp r t r s i s e . o h c e t o i v u ci ot mal h n b i u i o e dp t n ili sd o e ta n ie PN u c i n,t e p stv u ci n c r e tic e s s wih t a s e e a u e j n to h o iie j n to u r n n r a e t her ieoft mp r t r o

o iie j n to o t nd t e r v r e j n t n c r e ta s n r a e t e e a u e r p stv u c i n v l,a h e e s u c i u r n lo i c e s s wih t mp r t r .Th o e p stv u ci n v l e d o r st e b i— p p t n ilwh l e e a u e g e O O o i e j n to o tt n s t wa d h u l u o e ta i t mp r t r o st K. i d e Ke r s:PN u c in;v l— mp r h r c e itc;t mp r t r;b i - p p t n il y wo d jn t o o ta e e c a a t rsis e e a u e u l u o e ta d

引言

的特性 .本文介绍 P结正向伏安特性曲线实 N验的测量方法，对测量结果进行了分析讨论.并2实验测量

对 P结伏安特性的认识是基于肖克莱方 N程，般只讨论一定温度下 P结的伏安特性，一 N 当用 P结做温度传感器时，要考虑 P结 N则 N

由于基础物理实验课的特点，验室一般实不具备精密的恒温控制装置，可能让学生在不实验时间内完成不同温度下恒温测量 P结正 N向伏安曲线的工作，能采用慢速变温，速测只快量结电流和结电压的方法 .就需要对温度、这结电流和结电压的自动测量 .当加热器使 P结 N升温时，计算机检测 P结的温度，温度达到 N在

的伏安特性随温度的变化 .使用 TS B——I型温度传感技术实验仪、 C一 MS 2型 A/转换卡、 D加热器、算机等仪器，写自动测量程序，自计编可 动测量 P结正向伏安曲线随温度的变化 .将 N P结正向伏安曲线随温度变化的测量作为基 N础物理实验内容，让学生进一步认识 P结可 N

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程序设定值后，过 A/转换卡输出阶梯变化通 D的电压，到 P结上，时采集结电流.图 1加 N同 电路可以实现 P结正向伏安特性曲线随温度 N变化的自动测量 .

性拟合函数为V一 ( 2 5 6+ 12 1 m V一 . 4 9 )

将线性拟合函数

外推到温度为 O的情 K形，电压上升到 1 2 1 结 . 9 V.

《\

图 1自动测量电路

要保证准确测量结电流，适当调配元件应参量，的取值应保证送入 A/转换卡的电足。 D压不超过最大模入电压，最大模入电压为若 5,以在 3 0-4 0 1范围内取值，小不利 V可 7 - 7 k" - l太

于充分利用 A/转换卡最大模入电压及提高 D对模入电压的分辨率 .要保证程序指定的输出电压是实际加到 P结上的电压， 1中 R N图和

R。成的分压电路的分压比，根据 A/转构应 D换卡的最大模出电压和结电压扫描范围来选择.

按图 1将电路与 A/转换卡连接好，把 D并

温度传感器的输出与 A/转换卡连接好 .热 D把敏元件和 3 K7晶体管绑在一起，入加热油 D放槽，节加热器，升温或降温速度保持在 1调使~ 2C/ i.避免温度变化太快，为了保证程序" rn a是检测到设定的测温点，时也保证 P结的伏同 N安曲线上各个实验点基本是在同一个温度下测量的.3测量结果图3 3 KD7E e结电压随温度线性变化

在图 2所示的数据中，结电压取

为

0 3 V的结电流和温度数据，结电流随温度 .6作变化的曲线，图 4所示，电流随温度按指数如结规律变化，数拟合函数为指一

( 8× 1 e 0。一

了 A’ )

指数拟合函数的幂是负数，度升高结电流增温图 2是温度从 3℃到 1 0,隔 5 O 0℃每℃测加. 4结果讨论

量的 P结正向伏安曲线，以看到，着 P N可随 N

结温度升高， N结导通电压下降， N结电流 P P增加 . 在图 2所示的数据中，结电流为 3 A取 时的结电压和温度数据，结电压随温度变化作曲线，图 3所示，电压随温度线性变化，如结线

4 1 P结伏安特性与温度的关系 . N

对 P结伏安特性的认识一般是基于下面 N的等式=

L (/ e盯一 1 )

() 1

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。

一

e一，

夕pnn o o

式中

是 P结区载流子扩散

产生的内建电 N

势差，令并《j

_ ) 7√ (+p s o一 .P oo一 e。。

可以认为是与温度无关的 .至此， 3式可以 ()

重写为j≈ j s∞ e D刊

显然 J是温度的函数，中内建电势差 o仍。式图 4 3 DK7c e结电流随温度变化曲线

然是温度的函数，这里认为其对结电流随温在

该式描述恒定温度下 P结的伏安特性，度 N温变化时，须考虑式中反向漏电流是温度的必

度的变化影响不大 .在考虑不同温度下 P结 N伏安特性时， 2式可以写为 ()≈。 _e D (。 一V e一 1 )

函数 .根据文献[], N结上的电流密度为 1 Pj j (=。e一 1 ) () 2

乘以 P结的横截面积， 1式改写为 N ()

其中

I≈ o -一 c,/7 e

(/ 1 e一 )

() 4

_—r+1o, 7。一 ep s璺十—.一 nD了—一一 ;■ D』 n

() 3

式中 Lo s, P结的横截面积 . ( )— o S。 S是 N用 4式讨论图 2所示的 P结伏安特性曲线随温度 N的变化，需要知道式中的。还。和 o .4 2 .拟合实验数据确定和 D

( )中为电子电荷，温度无关；和 p 3式与 p o分别为 N型区和 P型区少数载流子浓度，和 D L分别是载流子的扩散长度和扩散系数， 4个这量都是温度的函数 . 和 D的关系为

用 ( )做拟合函数，实验测量的数据做 4式对最小二乘法拟合，以求得和。对 ( )可 . 4式取自然对数，得

L一

式中 r是载流子的碰撞弛豫时间 (基础物理即课程中的平均自由程和 2次碰撞之问的平均自由时间 )再考虑到，m D 五T

l.1+ l一 lw-) n-吉 7案+ (l 1 Ln n 1 nk er令

一

’

一了

其中 m为载流子的质量，为载流子的迁移率 (流子在电场中的漂移速度与电场强度的比载值 )五为玻耳兹曼常量 .认为 P型载流子 (,若空穴 ) N型载流子 (和电子 )的质量相同， 3式可 ()以写为

fv, ) (。s一∑l

一l, l I。 l n n。 n I一专+

麓I c h e让厂取极小值，则一一 2

]。

牵 I丢 h一 + n

J (+p ^ O。√ ( n≈、 n o/ o )一 m进一步考虑到, 2 2i , 2 2i

麓_ _) 0 l n 1一]a f

一詈N -W+ 2[ n n￣, 一一 l n

户一

’

一

其中 n0 P o别为 N型区和 P型区中有效 n和 p分参杂浓度，为本征载流子浓度，者的关系为 三

麓I h

]。一

整理得到 o和 l。 n。的方程组

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∑壹。 n一∑l 一 l N一 ni

大 .由于很大，度或正向结电压过高的极温

端情况下，数 e￣ o y迅速趋向 1正向结指 -( _ m v,电流急剧增加， N结烧毁 .温度降低时，维 P要持 P结正向导通，要增大结电压，度趋向 N则温 O时，电压则趋向内建电势差，图 2和图 K结如3所示 .

N

N

.

∑南一∑一。 h

妻i

Ti

令一

P结反偏时， 4式中的 ev T 1则 N () e k￣,/

詈 一Ⅳ季，一∑nI√丁 (rk一 1 e/i ) VT

I≈一 Io I

e o玎一

在常温下，数 e￣ 很小，管。大，向指￣V D尽。很反结电流仍然很小 .温度升高，数 e e 增大，指 -V D

一

詈开，一 1 1 F二

反向结电流增加，度降低则相反 .温将 o和的值代回 ( ), 4式得L≈ 1 4 8X 0 . 9 16 e l。1/ ( 47一 1 _ 5 9 6"e 6 7 l )(6 )

。

。一

。

z一

1√ (,￣— 1 1 e/. VT n

图 4中“”表示 ( )的计算结果，实验结口块 6式与果和指数拟合结果符合得较好，电流随温度结的变化主要遵从指数规律 . ( )是经过部分近似后得到的，际的 4式实P结中，流子的运动情况比较复杂， 4式 N载 ()右边的丁应改为丁引 .5结论

方程组整理为ylVD+ 7lI。一 l l 2n/ o y2VD+ 72I .一 l 2nI o

解该方

程组，得

l

一

由实验测得 V一 0 3 V时的结电流和温度数 .6

讨论 P结伏安特性随温度变化时，须 N必考虑反向漏电流随温度的变化，向结电压小正

据，算出方程组中的系数，人 ( ),得计代 5式求VD一 1. 01, I。= 1 3 V o .49 8× 1‘ 0Ao

于内建电势差 o表示 P结伏安特性的函数， N

值与图 3中线性拟合函数外推到温度为 O K

中指数的幂总是负的.以，着温度升高或正所随向结电压增加，会使正向结电流增大；度升都温高，向结电流也相应增加 .温度趋向 O时，反 K 正向结电压趋向内建电势差 .参考文献：[ 3方俊鑫 . 1陆栋 .固体物理学 (下册 ) M][ .上海：上海科学技术出版社 .91 4 . 18 . 0

时对应的结电压基本相同，建电势差 o随内温度的变化不大 . o值比加在 P结上的正向 N电压要大， 4式中指数的幂是负数，以，度 ()所温升高，电流增大.P结正向导通时， 4式中结 N ()的 eV r 1则 ' k￣,/J≈ Jo。 e D /∞。/ 一(一 )

在常温下，向结电压均小于内建电势差。正，指数 e￣ o y盯的幂是负的，以随着温度的 -( _ v所升高或正向结电压增加，会使正向结电流增都

[]陈水桥 .P结正向压降温度特性的研究和应用 2 N

[ 3物理实验 . 0 0 2 ( ) 7 9 J. 20 .07:~ .( 0 3 0— 5收稿 ) 2 0— 71

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