利用Origin8.0作圖分析PN結相關特性

劉海飛，隗群梅

[中國石油大學(華東)， 山東 青島　266580]

*通訊聯系人

利用Origin8.0作圖分析PN結相關特性

劉海飛，隗群梅*

[中國石油大學(華東)， 山東 青島266580]

摘 要：利用Origin 8.0作出不同溫度下PN結伏安特性曲線，通過曲線對PN結溫度特性、伏安特性和死區電壓進行分析，并得出結論：(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結死區電壓減小。

關鍵詞：Origin8.0；PN結；伏安特性曲線；溫度特性

一塊半導體中，摻入施主雜質的N型(電子型)半導體部分和摻入受主雜質的P型(空穴型)半導體部分的交界層，叫做PN結[1]。PN結是構成半導體二極管、太陽能電池等器件的基礎。目前，人們根據PN結特性，將其應用于短波長光電器件、石油化工等領域。而PN結的溫度特性、伏安特性等之前是通過對龐雜的實驗數據進行理論推導得出；但是很多問題很難找到精確的數學表達式來表示。對于復雜的數據，處理準確度不夠理想。利用軟件Origin8.0可以很容易地構造出圖形、擬合曲線，利于分析。下面將利用Origin 8.0處理PN結傳感器測量數據，作圖分析、驗證PN結相關特性。

1實驗及數據處理

1.1實驗原理及設備

實驗主要器材為PN結傳感器，FB716-I型物理設計性(熱學)實驗裝置，如圖1。

圖1　PN結溫度傳感器溫度特性測量實驗線路圖

1.2PN結正向壓降與溫度的關系

根據半導體物理的理論， 理想PN結的正向電流和正向壓降關系滿足肖克萊方程[1]:

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

溫度從室溫(19.2 ℃)到75.0 ℃，每5 ℃測出一組U-T數據，看出：隨著PN結溫度升高，PN結導通電壓在隨之減少，成負相關。

實驗數據(見表1)

表1　不同溫度下PN結兩端電壓值

對表1數據運用Origin擬合曲線作圖：

圖2　PN結導通電壓隨溫度變化圖

ValueIntercept178.55137Slope-1.95713

從以上擬合結果可知：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T=0K時，結電壓U=178.551 37 mV。得出結論：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結正向伏安特性隨溫度變化的關系

根據肖克萊方程，PN結的正向電流與正向電壓滿足指數函數關系，且與溫度有關。實驗測得數據如下：

表2　PN結正向伏安特性隨溫度變化的相關數據

根據表2數據，利用Origin作圖如下

圖3　PN結正向伏安特性隨溫度的變化

由圖3可知， 實驗數據反映了PN結的正向伏安特性[3]以及其隨溫度變化的趨勢，從圖中可得到如下結論。

(1) 隨著溫度的上升，PN結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死區電壓

當二極管加上正向電壓時，便有正向電流通過。但正向電壓很低時，外電場還不能克服PN結內電場對多數載流子擴散運動所形成的阻力，此時正向電流很小，二極管呈現很大的電阻。當正向電壓超過一定數值(硅管約0.5 V，鍺管約0.1 V)后，二極管電阻變得很小，電流增長很快。這個電壓往往稱死區電壓。

將圖3中曲線進行局部放大后得出的圖形如下

圖4　死區電壓與溫度的關系圖

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

2結論

通過實驗數據測量與分析，研究了對PN結正向壓降隨溫度變化規律,正向伏安特性曲線隨溫度變化的規律,得出結論：(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結死區電壓減小。對PN結特性有了進一步的了解，以便更好地使用和保護PN結。

參考文獻：

[1]李書光，張亞萍，朱海豐.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2012:218-225.

[2]胡險峰,朱世國.PN結正向伏安特性曲線隨溫度的變化[J].物理實驗，2003,23(10):6-9.

[3]周黨培，陳業仙.半導體PN結溫度特性實驗[J].實驗室科學,2012,2(1).

[4]孟慶巨,等.半導體物理學簡明教程[M].北京：電子工業出版社，2014:18-125.

[5]杜全忠，潘勇志.PN結物理特性的開放式測量實驗方法研究[J].大學物理實驗，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

基金項目：中國石油大學(華東)教學研究與改革(JY-B201447)

文章編號：1007-2934(2016)02-0094-03

中圖分類號：O 4-39

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.025