劉海飛，隗群梅

[中國(guó)石油大學(xué)(華東)， 山東 青島　266580]

*通訊聯(lián)系人

利用Origin8.0作圖分析PN結(jié)相關(guān)特性

劉海飛，隗群梅*

[中國(guó)石油大學(xué)(華東)， 山東 青島266580]

摘 要：利用Origin 8.0作出不同溫度下PN結(jié)伏安特性曲線，通過(guò)曲線對(duì)PN結(jié)溫度特性、伏安特性和死區(qū)電壓進(jìn)行分析，并得出結(jié)論：(1)若正向電流不變， 則正向電壓隨著溫度上升而線性下降；(2) 隨著溫度的上升，PN結(jié)的伏安特性曲線向左移;(3) 若正向電壓不變，則正向電流隨溫度上升而急劇上升；(4)隨著溫度升高，PN結(jié)死區(qū)電壓減小。

關(guān)鍵詞：Origin8.0；PN結(jié)；伏安特性曲線；溫度特性

一塊半導(dǎo)體中，摻入施主雜質(zhì)的N型(電子型)半導(dǎo)體部分和摻入受主雜質(zhì)的P型(空穴型)半導(dǎo)體部分的交界層，叫做PN結(jié)[1]。PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體二極管、太陽(yáng)能電池等器件的基礎(chǔ)。目前，人們根據(jù)PN結(jié)特性，將其應(yīng)用于短波長(zhǎng)光電器件、石油化工等領(lǐng)域。而PN結(jié)的溫度特性、伏安特性等之前是通過(guò)對(duì)龐雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論推導(dǎo)得出；但是很多問(wèn)題很難找到精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示。對(duì)于復(fù)雜的數(shù)據(jù)，處理準(zhǔn)確度不夠理想。利用軟件Origin8.0可以很容易地構(gòu)造出圖形、擬合曲線，利于分析。下面將利用Origin 8.0處理PN結(jié)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，作圖分析、驗(yàn)證PN結(jié)相關(guān)特性。

1實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

1.1實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)主要器材為PN結(jié)傳感器，F(xiàn)B716-I型物理設(shè)計(jì)性(熱學(xué))實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1。

圖1　PN結(jié)溫度傳感器溫度特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)線路圖

1.2PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系

根據(jù)半導(dǎo)體物理的理論， 理想PN結(jié)的正向電流和正向壓降關(guān)系滿足肖克萊方程[1]:

其中I為通過(guò)PN結(jié)的正向電流；U為PN結(jié)正向壓降；e為電子的電荷量；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；I0為PN結(jié)反向飽和電流，它與PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度有關(guān)。

溫度從室溫(19.2 ℃)到75.0 ℃，每5 ℃測(cè)出一組U-T數(shù)據(jù)，看出：隨著PN結(jié)溫度升高，PN結(jié)導(dǎo)通電壓在隨之減少，成負(fù)相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)

表1　不同溫度下PN結(jié)兩端電壓值

對(duì)表1數(shù)據(jù)運(yùn)用Origin擬合曲線作圖：

圖2　PN結(jié)導(dǎo)通電壓隨溫度變化圖

ValueIntercept178.55137Slope-1.95713

從以上擬合結(jié)果可知：斜率為-1.95713，截距為178.55137。得到的曲線方程為

U=-1.95713T+178.55137

其中溫度的單位為K，電壓的單位為mV。

當(dāng)T=0K時(shí)，結(jié)電壓U=178.551 37 mV。得出結(jié)論：若保持正向電流不變，則正向電壓隨著溫度上升而線性下降[2]。

1.3PN結(jié)正向伏安特性隨溫度變化的關(guān)系

根據(jù)肖克萊方程，PN結(jié)的正向電流與正向電壓滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且與溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如下：

表2　PN結(jié)正向伏安特性隨溫度變化的相關(guān)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，利用Origin作圖如下

圖3　PN結(jié)正向伏安特性隨溫度的變化

由圖3可知， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映了PN結(jié)的正向伏安特性[3]以及其隨溫度變化的趨勢(shì)，從圖中可得到如下結(jié)論。

(1) 隨著溫度的上升，PN結(jié)的伏安特性曲線向左移；

(2) 若正向電壓不變，則正向電流隨溫度上升而急劇上升。

1.4死區(qū)電壓

當(dāng)二極管加上正向電壓時(shí)，便有正向電流通過(guò)。但正向電壓很低時(shí)，外電場(chǎng)還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的阻力，此時(shí)正向電流很小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻。當(dāng)正向電壓超過(guò)一定數(shù)值(硅管約0.5 V，鍺管約0.1 V)后，二極管電阻變得很小，電流增長(zhǎng)很快。這個(gè)電壓往往稱死區(qū)電壓。

將圖3中曲線進(jìn)行局部放大后得出的圖形如下

圖4　死區(qū)電壓與溫度的關(guān)系圖

通過(guò)上圖可以看出，從19.2 ℃到75 ℃溫度逐漸升高，PN結(jié)死區(qū)電壓在逐漸減小，且不為零。從而得出結(jié)論：隨著溫度逐漸升高，PN結(jié)死區(qū)電壓逐漸減小，與理論[4，5](溫度越高，半導(dǎo)體本征激發(fā)越明顯，也就是載流子的數(shù)量變多，就更容易導(dǎo)通，所以死區(qū)電壓就越低)一致。

2結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量與分析，研究了對(duì)PN結(jié)正向壓降隨溫度變化規(guī)律,正向伏安特性曲線隨溫度變化的規(guī)律,得出結(jié)論：(1)若正向電流不變， 則正向電壓隨著溫度上升而線性下降；(2) 隨著溫度的上升，PN結(jié)的伏安特性曲線向左移;(3) 若正向電壓不變，則正向電流隨溫度上升而急劇上升；(4)隨著溫度升高，PN結(jié)死區(qū)電壓減小。對(duì)PN結(jié)特性有了進(jìn)一步的了解，以便更好地使用和保護(hù)PN結(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李書(shū)光，張亞萍，朱海豐.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2012:218-225.

[2]胡險(xiǎn)峰,朱世國(guó).PN結(jié)正向伏安特性曲線隨溫度的變化[J].物理實(shí)驗(yàn)，2003,23(10):6-9.

[3]周黨培，陳業(yè)仙.半導(dǎo)體PN結(jié)溫度特性實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2012,2(1).

[4]孟慶巨,等.半導(dǎo)體物理學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014:18-125.

[5]杜全忠，潘勇志.PN結(jié)物理特性的開(kāi)放式測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015(3)：78-80.

Using Origin8.0 Mapping Analysis P-N Junction Related Features

LIU Hai-fei，WEI Qun-mei

(China University of Petroleum (East China),Shandong Qingdao 266555)

Abstract：We pictured the Volt-Ampere characteristic curve of P-N junction in different temperature with Origin 8.0,then we analysed the temperature characteristic,voltage-current characteristic and deadtime voltage of P-N junction.The results showed that:(1)If the fotward current is constant,the forward voltage decrease with the rise of temperature linearly.(2)The Volt-Ampere characteristic curve moves to the left with the increase of temperature.(3)If the forward voltage keep the same,the forward current rise rapidly as the temperature increasing.(4)The deadtime voltage decrease with the rise of temperature.

Key words：Origin8.0；P-N junction；volt-ampere characteristic curve；temperature characteristic

收稿日期：2015-11-03

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)研究與改革(JY-B201447)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)02-0094-03

中圖分類號(hào)：O 4-39

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.025