PN结正向压降与温度关系的研究和应用指导书.doc

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1、PN结正向压降与温度关系的研究和应用FB302型睥正向压降温度特性实验仪实验讲义PN结正向压降与温度关系的研究和应用常川的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阴等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处，如热电偶适用温度范曲I宽，但灵敏度低、且需要参考温度；热墩电阻灵墩度高、热响应快、体积小，缺点是非线性，且•致性较差，这对于仪表的校准和调节均感不便；测温电阻如钳电阻有精度高、线性好的优点，但灵敬度低且价格较贵；而PN结温度传感器则有灵墩度高、线性较好、热响应快和体小轻巧易集成化等优点，所以其应用势

2、必日益广泛。但是这类温度传感器的工作温度一般为-50〜150E,与其它温度传感器相比，测温范囤的局限性较大，有待于进一步改进和开发。【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、在恒定正向电流条件下，测绘PZ结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵嫩度被测PN结材料的禁带宽度。3、学习用丹V结测温的方法。【实验原理】理想的PN结的正向电流乙和正向压降匕.存在如下近关系式：“心（券）(1)其中q为电子电荷；R为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；人为反向饱和电流，它是•个和PN结材料的禁带宽度以及温度有关

3、的系数，可以证明(2)其屮C是与结而积、掺杂质浓度等有关的常数，厂也是常数（见附录）；Vg（O）为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。将（2）式代入（1）式，两边取对数可得kCkTVf=%（o）—（-In—）T-—lnTr=Vi+V„iqIfq(3)kC其中Vi=V,(o)-(-ln—)rqIfvkTVn=InTq方程（3）就是PN结止向压降对于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。令匚二常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）屮还包含非线性项VnlO下面来分析一下匕

4、项所

5、引起的线性误差。设温度由7；变为:T时，正向电压由匕「变为卩尸，由（3）式可得VrT=14(0)-M(o)—Vfi)一Ti(4)按理想的线性温度响应，W应収如下形式V理想=Wi+aw.~dF(T-Ti)(5)6VfQVfQVf苛为曲线的斜率,且7；温度时的刁厂筹于卩温度时的—值-由(3)式可得6VfiV^(o)—Vfk(6)=——rdTTiq(fo)_V>ik)所以V理想=Vn+r*(T-Ti)ITQ)(7)—%(o)—(%(o)—Vfi)(T—Ti)fTiq由理想线性温度响应(7)式和实际响应(4)式相

6、比较，可得实际响应对线性的理论偏差为设7；=300K,T=3K,取u3.4,由(8)式可得AV=0.048mV,而相应的匕的改变量约20mV,相比之下谋差共小。不过当温度变化范围增人时，耳温度响应的非线性谋差将有所递增，这主要由于广因子所致。综上所述，在恒流供电条件下，PN结的匕,对厂的依赖关系取决于线性项％,即正向压降儿乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的理论依据。必须指出，上述结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略的温度区间(对于通常的硅二极管來说,温度范围约-50-150t?)3如果温度低于

7、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，VF-T关系将产生新的非线性，这一现象说明卩尸-T的特性还随PN结的材料而异,对于宽带材料(女IflGaAs,Eg=A3eV)的PN结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小(如巾Sb)的/W结，则低温端的线性范囤宽。对于给定的PN结，即使衣杂质导电和非本征激发温度范囤内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性叫引起的，由匕冲的二阶导数策冷可知，等的变化与匕I成反比，所以Vf-T的线性度在髙温端优于低温端，这是PN结温度传感器的普遍规律。此外

8、，由（4）式可知，减小匚，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，日前行之有效的方法夬致有两种：1、利用对管的两个/疋结（将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN结）,分别在不同电流IFX./门下工作，由此获得两者之差（/F1-/F2）与温度成线性函数关系，即y_yVFVF2TqiF2由于品体管的参数有一定的离散性，实际值与理论值仍存在差距，但由于单个PN结相比其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放人等电路集成一体，便构成电路温度传感器。2、采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知

9、,非线性误差来自项,利用函数发生器，IF比例于绝对温度的门欠方，则匕-T的线性理论误差为△=0。实验结果与理论值比较一致，其精度可达O.Olt?o【实验方法和内容】1、实验系统检查与连接（1）取下隔离圆筒的筒套（左手扶筒盖，右手扶筒套逆时针旋转），查待测PN结管和测温元件应分放在铜座的左右两侧圆孔内，其管脚不与容器接触，然厉装上筒食。（2）按图1所示进行连线。控温电流开关萱“关”位宜，