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增,这主要由于r因子所致。综上所述,在恒流供电条件下,PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1,即正向压降几乎随温度升高而线性下降,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,本征激发可以忽略的温度区间(对于通常的硅二极管来说,温度范围约-50℃~150℃)。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,VF-T关系将产生新的非线性,这一现象说明VF-T的特性还随PN结的材料而异,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Vn1引起的,由Vn1对T的二阶导数可知的变化与T成反比,所以VF-T的线性度在高温优于低温端,这是PN结温度传感器的普遍规律。此外,由式()可知,减小IF,可以改善线性度,但不能从根本上解决问题,目前行之有效的方法大致有两种:(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IF1、IF2下工作,由此获得两者之差(VF1-VF2)与温度成线性函数关系,即由于晶体管的参数有一定的离散性,实际与理论仍存在差距,但与单个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、放大等电路集成一体