PN结正向伏安特性曲线随温度的变化
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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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