半导体PN结温度特性实验_周党培
ISSN1672－4305CN12－1352/N实验室LABORATORY 科学SCIENCE 第15卷第1期2012年2月Vol. 15No. 1Feb. 2012
半导体PN 结温度特性实验
12
周党培，陈业仙
（1．五邑大学物理实验中心；2．五邑大学教务处，广东江门529020）
摘
要：讨论了不同温度下PN 结的正向压降和伏安特性的测量方法，设计了利用TH－J型PN 结正向压降温
度特性测试仪研究PN 结正向压降及伏安特性曲线随温度变化的实验，定性分析了PN 结正向压降及伏安特性随温度变化的规律；利用Excel 进行曲线拟合测定了正向压降随温度变化的灵敏度、玻尔兹曼常数以及PN 结的反向饱和电流，从而定量描述了PN 结的伏安特性，取得了较为准确的实验结果。关键词：PN 结；伏安特性；波尔兹曼常数；反向饱和电流；物理实验中图分类号：O475
文献标识码：B
doi ：10．3969/j．issn．1672－4305．2012．01．031
Experiment of temperature characteristics of PN junction
ZHOU Dang－pei1，CHEN Ye－xian2
（1．Physics Laboratory Centre ，Wuyi University ；2．Dean ’Office ，Wuyi University ，Jiangmen 529020，China ）
Abstract ：The measuring means of positive voltage drop and volt－amperecharacteristics of PN junc-tion at different temperature is introduced ，and the experiment of variation of positive voltage drop and volt－amperecharacteristics of PN junction with temperature based on the instrument of model TH－Jwhich is used to research the relation of PN junction forward voltage drop and temperature is designed．The response rate between positive voltage drop and temperature ，Boltzmann constant and the reverse saturation current of the PN junction are measured．The positive volt －ampere characteristics of PN junction and its variation with temperature can be described quantitatively and qualitatively ，and the good experiments results are reached．
Key words ：PN junction ；volt－amperecharacteristics ；the reverse saturation current ；physical experiment 大学物理实验课程开设了两个关于半导体PN
［1］
结特性的实验项目，分别研究了PN 结的正向压降随温度变化的关系以及常温下二极管的伏安特性。实际上PN 结的伏安特性是与温度有关的，通过温度变化作为桥梁，可以把两个实验研究的内容
使学生对PN 结的温度特性有更有机地融合起来，
加全面的认识。然而，系统深入地研究PN 结电气特性随温度变化的规律需要昂贵的实验设备和苛刻
的实验环境，这对于大多数学校而言是不现实的。本文认真分析了两个实验的内在关系，利用现有的
对实验内容和方法进行改进，有效获取了实验装置，
研究了PN 结不同温度下PN 结的电压与电流数据，
的正向压降在不同电流条件下对温度变化的灵敏
度；PN 结的正向伏安特性及其随温度变化的规律；PN 结的反向饱和电流以及玻尔兹曼常数的测定等。
实验内容丰富，实验方法新颖，不仅加深了学生对PN 结的电气特性的全面理解，还启发了学生有层次地展开思考和探究，有利于培养学生认真细致的操作习惯和创新精神。
1
1．1
实验原理
PN 结正向压降与温度的关系根据半导体物理的理论
［2－4］
，理想PN 结的正向
电流和正向压降关系满足肖克莱方程：
I F =I S ［exp （
eU F
）－1］kT
（1）
其中I F 为通过PN 结的正向电流；U F 为PN 结正向压降；e 为电子的电荷量；k 为玻尔兹曼常数；T 为热力学温度；I S 为PN 结反向饱和电流，它与PN 结材料的禁带宽度以及温度有关
［5］
。可以证明：
周党培，等：半导体PN 结温度特性实验
eU g 0
）kT
101
I S =CT r exp （－（2）
C 是与PN 结的结面积及掺杂浓度有关其中，
r 在一定温度范围内也是常数，U g 0为绝对的常数，
零度时PN 结材料的导带底和价带顶电势差，对于
U g 0为定值。给定的PN 结材料，
式（1）代入式（2），两边取对数，整理得k C krT
U F =U g 0－（ln ）T －ln T
I F e e 的误差很小
［1］
于测绘恒定正向电流下PN 结正向电压降随温度变
化特性曲线的仪器，其结构如图2所示。实验时把被测的PN 结（常用金封三极管3DG6的发射结作为，利用恒定
密室壁电流源驱动发热丝使密室内温度缓慢上升，样品）置于密闭温室内（如图3所示）
筒内外热传递十分由一个十分厚的金属圆筒制成，
缓慢，只要恰当地调节加热电流的大小，使热传递处于动态平衡状态，可以在相对较长的一段时间内维持密室的温度基本不变。此时，快速地改变加在PN 结上的电流I F ，读出其正向电压U F ，即可获得在此温度下的伏安特性数据。为了使温度更稳定和容易控制，实验时先把温度上升到比目标温度高5ħ ，然后减小加热电流，让温度缓慢下降，接近目标温度时，仔细调节加热电流，使温度维持稳定，并快速记录数据。改变温度，重复上述操作，即可得到不同温度下的伏安特性数据
。
［1］
（3）
可以证明，忽略式中最后的非线性项给U F 带来U F =U g 0
，即：
k C －（）T
e I F
（4）
在允许的温度范围内，在恒流供电的条件下，PN 结的正向压降可以近似地认为随温度升高而线性下降，即式（4）可改写为：
U F =U g 0－sT
（5）
测量不同温度下的正向压降，即可以确定正向压降随温度变化的灵敏度系数s ，从而可以用PN 结实现测温的目的。同时，还可以获得PN 结的导带
算出材料的禁带宽度E g 0底和价带顶的电势差U g 0，=eU g 0。
此外，改变通过PN 结的恒定电流进行实验，可
以获得s 在不同电流条件下的信息。1．2
PN 结的正向伏安特性
图2
实验装置原理示意图
PN 结的正向电流I F 与正向根据肖克莱方程，
电压U F 满足指数函数关系，且与温度有关。由式（1）可知，PN 结的正向伏安特性曲线随温度升高有向左移的趋势，如图1所示
。
图1PN 结的正向伏安特性随温度的变化
测绘PN 结的正向伏安特性曲线，首先使PN 结置于恒定的温度下，改变电压测出对应的电流，或改变电流测出对应的电压，则可以得到该温度下的伏
重复上述步骤即可测绘出不同安关系。改变温度，温度下的伏安特性曲线。
2实验仪器和方法
TH－J型PN 结正向压降温度特性测试仪是用
图3
样品室结构图
102
3
3．1
实验结果及分析
实验数据
表2正向压降与温度关系的线性拟合
本实验以金封三极管3DG6的发射结作为被测PN 结样本，测量了不同温度下的正向电流I F 和正向电压U F 的数据，如表1所示。
表1
不同温度下PN
结正向伏安特性数据
由表可知，不同电流下，正向压降与温度的关系
均符合线性关系。线性系数s 的平均值为2. 16mV /ħ，1/s 为0．46ħ /mV，此即PN 结用于测
［6］
温时的灵敏度。3．3
PN 结正向伏安特性随温度变化关系
根据不同温度下PN 结的正向电压与正向电流数据作出其伏安特性曲线如图5所示
。
3．2PN 结正向压降随温度变化的关系
根据表1数据绘出不同电流下的正向压降与温度的关系曲线如图4所示
。
图5不同温度下PN 结的正向伏安特性曲线
由图可知，实验数据反映了PN 结的正向伏安
［7］
特性以及其随温度变化的趋势，具体可以得到如
图4
不同电流下正向压降与温度的关系
由图可知，电流恒定时正向压降随温度的上升而下降；随着电流增加，曲线向上平移，电压增大，但电压的变化率没有改变。
对曲线进行线性拟合，设拟合公式为U F =－sT +U 0
线进行线性拟合的结果如表2所示。
（6）
对不同电流下的正向压降随温度变化的关系曲
PN 结的伏安特性曲下结论：（1）随着温度的上升，线向左移；（2）若正向电流不变，则正向电压随着温度上升而线性下降；（3）若正向电压不变，则正向电流随温度上升而急剧上升。
对上述曲线进行指数拟合，设拟合公式为：
I F =a exp （bU F ）（7）对不同温度下的正向伏安特性曲线拟合的结果如表3所示。
周党培，等：半导体PN 结温度特性实验
表3
正向伏安特性曲线的指数拟合
103
考虑到实验过程中温度实验存在一定的系统误差，
测控的误差因素最大，为了进一步提高测量精度，在室温下测量了一组数据如表5所示。
表5
室温24．9ħ 下PN 结的伏安特性
由表可知，不同温度下正向伏安特性曲线符合
指数规律变化。3．4
玻尔兹曼常数k 的测定与I S 的确定
由上所述，对于一个理想的PN 结，正向电流与电压之间满足肖克莱方程
eU F
I F =I S ［exp （）－1］
kT 由于
exp （
eU F
）＞＞1kT
（9）
指数拟合的结果如图6所示
。
（8）
所以，式（8）可以表示为
eU F
I F =I S exp （）
kT 系
［8］
（10）
k 、T 不变，式中，若e 、则I F 与U F 满足指数关。比较拟合曲线I F =a exp （bU F ）与式（10），则
（11）（12）（13）
有：
a =I S e b =
kT k =
e bT
图6
室温下PN 结的伏安特性指数拟合曲线
因此：
I S =2ˑ 10－8（μA ）=2ˑ 10－14（A ）
1．602ˑ 10－22
k =
0．039ˑ （273．2+24．9）=1．378ˑ 10－23（J /K）
（14）
（15）
根据不同温度下拟合的曲线算出的玻尔兹曼常数和反向饱和电流如表4所示。
表4
不同温度下玻尔兹曼常数与反向饱和电流
－23
与理论值k =1．381ˑ 10（J /K）的相对误差
［9］
仅为0．2%。
5结语
严格讨论PN 结的电气特性，要考虑的因素很多，精确测量所需的设备也十分昂贵。但作为定性认识和验证，在一定的误差范围内，使用已有的仪器设备，进行简单的实验设计，实现数据的测量是可行的，也是实用的。本文在已有的常规仪器TH－J型PN 结正向压降温度特性测试仪的基础上，通过实验
由表可知，不同温度下反向饱和电流随温度的
升高而增大；不同温度下玻尔兹曼常数基本一致，但与理论值相差较大，根据误差性质的分析可以断定
方法的设计，研究了对PN 结正向压降随温度变化
规律；正向伏安特性曲线随温度变化的规律；以及玻尔兹曼常数和PN 结反向饱和电流的测定，有效地
（下转107页）
秦莉，等：基于DS18B20的多点温度测量体系的设计与仿真
在上位机（PC 机）同时利用LabVIEW 中的VI-SA 控件进行串口通讯，当运行Proteus 软件时，从上位机接受数据的界面检测收到的4个通道的温度
值，如图4所示
。
参考文献（References ）：
107
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2009．出版社，
［11］LabVIEW 串口通信．http ：//apps．hi．baidu．com /share/detail/
389900．
图4LabVIEW 界面显示结果
4结论
本文设计了以AT89S52单片机为核心控制器、以DS18B20作为温度传感器的多点温度测量系统，该方法采用下位机采集多点温度，上位机进行温度显示，上位机和下位机之间通过串口进行通信的方式。该系统在Proteus 环境下进行仿真调试，效果良好，具有广阔的应用前景。
收稿日期：2011－11－10修改日期：2011－12－08
作者简介：秦莉（1974－），女，工程师，主要从事机电设备的
设计、管理及维修等方面科研工作。
欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍
2000，20（7）：7－9．验，（上接103页）
充实了实验内容，促进了对学生的探索精神和创新
［10］
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收稿日期：2011－06－21修改日期：2011－08－26
作者简介：周党培（1971－），男，广东新会人，硕士，实验师，
研究方向为应用物理及电光源驱动。