实验四 pn结特性测量.doc

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/℃、℃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也不是尽善尽美的,%的条件下,其工作温度一般不超为-50℃~150℃,与其它温度传感器相比,测温范围的局限性较大,如果采用不同材料如锑化铟或砷化镓的PN结可以展宽低温区或高温区的测量范围。八十年代中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℃,并荣获国际博览会金奖。自然界有丰富的材料资源,而人类具有无穷的智慧,理想的温度传感器正期待着人们去探索、开发。二、。,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。。三、实验原理理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系式。()其中q为电子电荷;k为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;IS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()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);Vg(0)为绝对零度时PN结材料的导带和价带顶的电势差。将式()代入式(),两边取对数可得()其中方程()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IF=常数,则正向压降只随温度而变化,但是在方程()中,除线性项V1外还包含非线性项Vn1。下面来分析一下Vn1项所引起的线性误差。设温度由T1变为T时,正向电压由VF1变为VF,由式()可得()按理想的线性温度响应,VF应取如下形式()等于T1温度时的值。由式()可得()所以()由理想线性温度响应式()和实际响应式()相比较,可得实际响应对线性的理论偏差为()设T1=300K,T=310K,取r=*,由式()可得△=,而相应的VF的改变量为20mV,相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时,VF温度响应的非线性误差将有所递