PN结正向压降与温度关系的特性研究

PN结正向压降温度特性的研究

一、前言

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，由于当时PN结的参数不稳定，始终未能进入实用阶段。随着半导体工艺水平的提高以及人们不断地探索，到七十年代时，PN结以及在此基础上发展起来的晶体管温度传感器，已成为一种新的测温技术跻身各个应用领域了。

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，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处，如热电偶适用范围宽，但灵敏度低、线性差且需要参考温度；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的调节均感不便；测温电阻器如铂电阻虽有精度高、线性好的长处，但灵敏度低且价格昂贵；而PN结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积轻巧等特点，尤其是在温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时信号处理等方面，乃是其他温度传感器所不能相比的，其应用势必日益广泛。目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、放大等电路组合成一块集成电路。美国Motorola电子器件公司在1979年就开始生产测温晶体管及其组件，如今灵敏度高达100mv/C、分辨率不低于0.

实验3.13 PN结正向压降与温度关系的研究和应用

常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是非线性，且一致性较差，这对于仪表的校准和调节均感不便；测温电阻如铂电阻有精度高、线性好的优点，但灵敏度低且价格较贵；而PN结温度传感器则有灵敏度高、线性较好、热响应快和体积轻巧易集成化等优点，所以其应用势必日益广泛。但是这类温度传感器的工作温度一般为-50℃-150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，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. 在恒流小电流条件下，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测PN结材料的禁带宽度。 3. 学习曲线改直的数据处理方法。 4. 学习用Excel进行曲线拟合的方法。 【实验仪器】

PN结正向压降温度特性实验仪、温度传感器实验装置、加热炉、Pt100温度传感器、PN结温度传感器、导线。 【实验原理】

理想PN结的正向电流IF和压降UF存在如下近似关系式：

IF?IS

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化

6

物理实验

第 2 3卷

第 l O期

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化胡险峰摘

朱世国

(川大学物理学院四川成都 60 6 )四 1 0 4要：绍了在不同温度下， N结正向伏安特性曲线的自动测量方法。论了 P结伏安特性与温度的关介 P讨 N

系 .由于正向结电压小于内建电势差，度升高或正向结电压增加，向结电流将增大，度升高反向结电流也相温正温应增加.当温度趋向 O时。向结电压趋向内建电势差 . K正关键词： N结 I安特性曲线 I度；建电势差 P伏温内中圈分类号： 7 04 5文献标识码： A文章编号￣ 0 54 4 (0 3 1— 0 60 1 0— 6 2 2 0 ) 00 0—4

V a i to f po ii e v t a pe e c r t r s i s o r a i n o s tv ol- m r ha ac e itc f

P j n to t e e a u e N u cin wih tmp r t rHU a -e g ZH U h— u Xin f n S ig o( y isCo lg,Sih a n v r iy,Ch n d Ph sc le e c u n

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化

6

物理实验

第 2 3卷

第 l O期

PN结正向伏安特性曲线随温度的变化胡险峰摘

朱世国

(川大学物理学院四川成都 60 6 )四 1 0 4要：绍了在不同温度下， N结正向伏安特性曲线的自动测量方法。论了 P结伏安特性与温度的关介 P讨 N

系 .由于正向结电压小于内建电势差，度升高或正向结电压增加，向结电流将增大，度升高反向结电流也相温正温应增加.当温度趋向 O时。向结电压趋向内建电势差 . K正关键词： N结 I安特性曲线 I度；建电势差 P伏温内中圈分类号： 7 04 5文献标识码： A文章编号￣ 0 54 4 (0 3 1— 0 60 1 0— 6 2 2 0 ) 00 0—4

V a i to f po ii e v t a pe e c r t r s i s o r a i n o s tv ol- m r ha ac e itc f

P j n to t e e a u e N u cin wih tmp r t rHU a -e g ZH U h— u Xin f n S ig o( y isCo lg,Sih a n v r iy,Ch n d Ph sc le e c u n

实验四 pn结特性测量

一、前言

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，由于当时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，到七十年代时，PN结以及在此基础上发展起来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，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、线性差且需要参考温度；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的调节均感不便；测温电阻器如铂电阻虽有精度高、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，尤其是温度数字化、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，其应用势必日益广泛。目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、放大等电路组成一块集成电路。美国Motorola电子器件公司在1979年就开始生产测温晶体管及其组件，如今灵敏度高达100mV/℃、分辨率不低于0.1℃的硅集成电

实验一 PN结器件电流—电压特性

一、基本原理

PN结是半导体结型器件的核心，是IC电路的最基本单元，诸多半导体器件都是由PN结组成的。最简单的结型器件是半导体二极管，根据不同场合的用途，使用不同掺杂及材料制备工艺制成多种二极管，如整流二极管、检波二极管、光电二极管（发光二极管、光敏二极管）等；三极管与结型晶体管就是由两个PN结构成的。因此深入了解与掌握PN结的基本特性，是掌握与应用晶体管等结型器件的基础。

PN结的最重要特性是单向导电性，即具有整流特性。也就是说，正向表现低阻性，反向为高阻性。若在PN结上加上正向偏压（P区接正电压、N区接负电压）则电流与电压呈指数关系，如下式 I?I0?exp??qv?? （Ⅰ） nkT??式中q是电子电荷，K是波尔兹曼常数，T是工作温度（K），V是外加电压，n是复合因子，

根据实际测量曲线求出。随着电压缓慢升高

天津大学

物理实验报告

姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：

【实验名称】 PN结物理特性综合实验 【实验目的】

1. 在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律 2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数

3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流

4. 测量PN结电压与温度关系，求出该PN结温度传感器的灵敏度 5. 计算在0K温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】

半导体PN结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】

1．PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN结的正向电流-电压关系满足：

I?I0[exp(eU/kT)?1]

4.27 PN结正向压降与温度关系的研究和应用

常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它们的不足之处，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是非线性，且一致性较差，这对于仪表的校准和调节均感不便；测温电阻(如铂电阻)有精度高、线性好的优点，但灵敏度低且价格较贵；而PN结温度传感器则有灵敏度高、线性较好、热响应快和体小轻巧易集成化等优点，所以PN结温度传感器的应用日益广泛。但这类温度传感器的工作温度一般为-50℃-150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，有待于进一步改进和开发。本实验就是研究PN结正向压降及其与温度的关系的。

4.27.1 实验目的

(1)了解PN结正向压降随温度变化的基本性质。

(2)在恒定正向电流条件下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度及被测PN结材料的禁带宽度。

(3) 学习用PN结测量温度的方法。 4.27.2 实验原理

理想的PN结的正向电流IF和正向压降VF存在如下近似关系式：

IF?Isexp(qVF) (4-127)

第３２卷第７期２００６年７月 电子工囊师

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＥＮＧＩＮＥＥＲ Ｖ０１．３２Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２００６

ＰＮ结温度传感器原理及应用 赵洪涛

（淮安信息职业技术学院，江苏省淮安市２２３００１）

摘要：介绍了采用ＰＮ结温度传感器进行温度测量的原理，在此基础上给出了ＰＮ结的信号调理电路，分析了各部分电路的特性，给出了由ＳＴＣ８９系列单片机组成的测温电路系统及其程序流程，

并指出了减小测量误差的方法。

关键词：温度传感器；ＰＮ结；信号调理电路；单片机 中图分类号：ＴＰ２１２．１１ ０ 引言

随着测温技术的迅速发展，新的测温传感器不断

出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、超声波温度传感器、核磁共振温度传感器、ＰＮ结温度传感器等在一些领域获得了广泛的应用。本系统充分利用温

度传感器测量温度快速、使用简便的特点，同时结合单片机的使用对数据进行实时处理，从而做到了对温度的

实时控制。 １

ＰＮ结温度传感器工作原理

二极管、三极管的特性与温度有很大关系，因此， 利用电压对温度的依赖关系制成ＰＮ结温度传感器。 已知ＰＮ结的电流．电压方程为： ．，＝（警＋警）Ｈ券）一?］（１） 设 卜警＋警 则

．，＝Ｊｓ（ｅｘｐ（券）一?） （２） （３）

课程 授课时间 授课地点 模拟电子技术基础 10 综B 章节 授课教师 授课班级 PN结及其单向导电性 尹金兴 05机电工程 教学目的 撑握PN结的形成及其单向导电性的原理。 与要求 重点 难点 学会用原子结构理论分析PN结的形成及其单向导电性的原理 PN结的形成及其单向导电性的原理分析。 授课类型 讲授课 教学进程和时间分配表 序号 １ 2 3 4 5 6 教学内容 组织教学 复习旧课引入新课 讲授新知识 （1）、PN结的形成 （2）、PN结的单向导电性 实验验证 知识回顾与提问（巩固所学知识） 布置作业 时间分配 2＂ 3＂ 28＂ 6＂ 5＂ 1＂ 教学方法 讲解、 演示、 提问、 实验观察 课后记要 电子技术课程比较抽象，应加强学生实验，增强直观性，同时也可培养学生的动手操作能力。 备注 本课程为电工、电子专业技术理论课。 教师的活动 教学内容和序列 学生的活动 - 1 -

导入教学 （3分钟） （配以相应的图片加以说明） （启发学生思考） 讲授新课 （36分钟） 教师的活动 复习半导体的基本知识： 通过上次课的讲解，我们知道：按杂质半导体中掺入杂质性质的不同，它可分