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1、实验四pn结特性测量I"■一、一一、刖吞早在六十年代初,人们就试图用PN结正向压降随温度升高而降低的特性作为测温元件,由丁•当吋PN结的参数不稳定，始终未进入实用阶段。随着半导体工艺水平的提高及人们不断的探索，到七I•年代时，PN结以及在此棊础上发展起來的晶体管温度传感器，已成为一种新的测温技术跻身于各个领域了。众所周知，常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均冇各自的优点，但也冇它的不足Z处，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、线性差仇盂耍参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是非线性，这对于仪表的校准和控制系统
2、的调节均感不便；测温电阻器如钳电阻虽有精度高、线性好的长处，但灵敏度低且价格贵；而PN结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体小轻巧等特点，尤具是温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时信号处理等方面，仍是其它温度传感器所不能比的，其应用势必口益广泛。冃前结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放人等电路组成一块集成电路。美国Motorola电子器件公司在1979年就开始牛产测温品体管及英组件，如今灵敏度高达lOOmVfC.分辨率不低于().1°C的硅集成电路温度传感器也已问世。但是以硅为材料的这类传感器
3、也不是尽善尽美的，在非线性不超过标准值().5%的条件下，其工作温度一般不超为一5()°C〜15()°C,与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较人，如果采用不同材料如餅化锢或神化傢的PN结可以展宽低温区或高温区的测量范围。八十年代屮期我国就研制成功以SiC为材料的PN结温度传感器，其高温区可延伸到500°C,并荣获国际博览会金奖。自然界冇丰富的材料资源，而人类具有无穷的解慧，理想的温度传感器正期待着人们去探索、开发。二、实验目的1.了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。2.在恒流供电条件下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被
4、测PN结材料的禁带宽度。3.学习用PN结测温的方法。三、实验原理理想PN结的正向电流/尸和压降*存在如下近似关系式。IF=Isexp(^VF/kT)(4.1)其中g为电子电荷；R为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；厶为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明Is二C厂exp[—q叫(0)/比门(4.2)其中C是与结面积、掺杂浓度等有关的常数；r也是常数(见附录)；冬(0)为绝对零度时PN结材料的导带和价带顶的电势差。将式(4.2)代入式(4.1),两边取对数可得LCkTVF=K(0)-(-ln—)T——ln〃=%+Vzd(4
5、.3)q-qkcV(=v(0)-(Inz)TqiFvzll方程（4.3）就是PN结正向压降作为电流和温度的函数表达式，它是PN结温度传感器的基本方程。令lF二常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（4.3）中，除线性项力外还包含非线性项Vzj70卜-面來分析一下匕〃项所引起的线性谋差。设温度由八变为T时，正向电压由VF1变为VF,由式（4.3）可得TkTVF=V/0)-[VJ0)-VF1]-一——Inq(4.4)按理想的线性温度响应，S应取如卜•形式(4.5)3V話等"温度时的話值。由式（4.3）可得_V/0)-VF1k°T7]q(4.6)所以V理
6、想=f+[-吩厂1--r](r-GTqTk=v/o)-
7、vg(o)-vFIi---r(r-r,)(4.7)山理想线性温度响应式（4.7）和实际响应式（4.4）相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为kkTT△==~r（T~T^~ln
8、7^"I（4-8）设Ti=300K,7=310K,取r=3.4*,由式（4.8）可得△=0.048mV,而相应的V＞的改变量为20mV,相比Z下谋差其小。不过当温度变化范围增人时，％温度响应的非线性误差将冇所递增，这主要由于厂因子所致。综上所述，在恒流供电条件下，PN结的*对T的依赖关系取决于线性项力，即正向压降几乎随
9、温度升高而线性卜•降，这就是PN结测温的依据。必须指出，上述结论仅适用于杂质全部电离，木征激发可以忽略的温度区间（对于通常的硅二极管来说，温度范囤约一50°C〜150°C）。如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加，V.-T关系将产生新的非线性，这一现象说HJ]Vb-T的特性还随PN结的材料而界，对于宽带材料（如GaAs）的PN结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小（如InSb）的PN结，则低温端的线性范围宽，对于给定的PN结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性项匕］引
10、起的，由匕I对T的二阶导数攀^=丄可知如的变化与7成反比，所以vf-t的线性度在高温优于低温端
