利用Origin8.0作图分析PN结相关特性

刘海飞，隗群梅

[中国石油大学(华东)， 山东 青岛　266580]

*通讯联系人

利用Origin8.0作图分析PN结相关特性

刘海飞，隗群梅*

[中国石油大学(华东)， 山东 青岛266580]

摘 要：利用Origin 8.0作出不同温度下PN结伏安特性曲线，通过曲线对PN结温度特性、伏安特性和死区电压进行分析，并得出结论：(1)若正向电流不变， 则正向电压随着温度上升而线性下降；(2) 随着温度的上升，PN结的伏安特性曲线向左移;(3) 若正向电压不变，则正向电流随温度上升而急剧上升；(4)随着温度升高，PN结死区电压减小。

关键词：Origin8.0；PN结；伏安特性曲线；温度特性

一块半导体中，掺入施主杂质的N型(电子型)半导体部分和掺入受主杂质的P型(空穴型)半导体部分的交界层，叫做PN结[1]。PN结是构成半导体二极管、太阳能电池等器件的基础。目前，人们根据PN结特性，将其应用于短波长光电器件、石油化工等领域。而PN结的温度特性、伏安特性等之前是通过对庞杂的实验数据进行理论推导得出；但是很多问题很难找到精确的数学表达式来表示。对于复杂的数据，处理准确度不够理想。利用软件Origin8.0可以很容易地构造出图形、拟合曲线，利于分析。下面将利用Origin 8.0处理PN结传感器测量数据，作图分析、验证PN结相关特性。

1实验及数据处理

1.1实验原理及设备

实验主要器材为PN结传感器，FB716-I型物理设计性(热学)实验装置，如图1。

图1　PN结温度传感器温度特性测量实验线路图

1.2PN结正向压降与温度的关系

根据半导体物理的理论， 理想PN结的正向电流和正向压降关系满足肖克莱方程[1]:

其中I为通过PN结的正向电流；U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；I0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。

温度从室温(19.2 ℃)到75.0 ℃，每5 ℃测出一组U-T数据，看出：随着PN结温度升高，PN结导通电压在随之减少，成负相关。

实验数据(见表1)

表1　不同温度下PN结两端电压值

对表1数据运用Origin拟合曲线作图：

图2　PN结导通电压随温度变化图

ValueIntercept178.55137Slope-1.95713

从以上拟合结果可知：斜率为-1.95713，截距为178.55137。得到的曲线方程为

U=-1.95713T+178.55137

其中温度的单位为K，电压的单位为mV。

当T=0K时，结电压U=178.551 37 mV。得出结论：若保持正向电流不变，则正向电压随着温度上升而线性下降[2]。

1.3PN结正向伏安特性随温度变化的关系

根据肖克莱方程，PN结的正向电流与正向电压满足指数函数关系，且与温度有关。实验测得数据如下：

表2　PN结正向伏安特性随温度变化的相关数据

根据表2数据，利用Origin作图如下

图3　PN结正向伏安特性随温度的变化

由图3可知， 实验数据反映了PN结的正向伏安特性[3]以及其随温度变化的趋势，从图中可得到如下结论。

(1) 随着温度的上升，PN结的伏安特性曲线向左移；

(2) 若正向电压不变，则正向电流随温度上升而急剧上升。

1.4死区电压

当二极管加上正向电压时，便有正向电流通过。但正向电压很低时，外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，此时正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。当正向电压超过一定数值(硅管约0.5 V，锗管约0.1 V)后，二极管电阻变得很小，电流增长很快。这个电压往往称死区电压。

将图3中曲线进行局部放大后得出的图形如下

图4　死区电压与温度的关系图

通过上图可以看出，从19.2 ℃到75 ℃温度逐渐升高，PN结死区电压在逐渐减小，且不为零。从而得出结论：随着温度逐渐升高，PN结死区电压逐渐减小，与理论[4，5](温度越高，半导体本征激发越明显，也就是载流子的数量变多，就更容易导通，所以死区电压就越低)一致。

2结论

通过实验数据测量与分析，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,得出结论：(1)若正向电流不变， 则正向电压随着温度上升而线性下降；(2) 随着温度的上升，PN结的伏安特性曲线向左移;(3) 若正向电压不变，则正向电流随温度上升而急剧上升；(4)随着温度升高，PN结死区电压减小。对PN结特性有了进一步的了解，以便更好地使用和保护PN结。

参考文献：

[1]李书光，张亚萍，朱海丰.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2012:218-225.

[2]胡险峰,朱世国.PN结正向伏安特性曲线随温度的变化[J].物理实验，2003,23(10):6-9.

[3]周党培，陈业仙.半导体PN结温度特性实验[J].实验室科学,2012,2(1).

[4]孟庆巨,等.半导体物理学简明教程[M].北京：电子工业出版社，2014:18-125.

[5]杜全忠，潘勇志.PN结物理特性的开放式测量实验方法研究[J].大学物理实验，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

基金项目：中国石油大学(华东)教学研究与改革(JY-B201447)

文章编号：1007-2934(2016)02-0094-03

中图分类号：O 4-39

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.025