PN结正向压降温度关系.doc

..页眉.. 页脚.. 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 ℃的硅集成电路温度感器也已问世。但是以硅为材料的这类温度传感器也不是尽善尽美的,在非线性不超过标准值 % 的条件下,其工作温度一般为-50 ℃— 150 ℃,与其它温度传感器相比, 测温范围的局限性较大, 如果采用不同材料如锑化铟或砷化镓 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、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 I F 和压降 V F 存在如下近似关系) exp( kT qV IsI FF?(1) 其中 q 为电子电荷; k 为波尔兹曼常数; 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] )0( exp[ kT qV CT Is gr??(2) ..页眉.. 页脚.. (注:(1),(2 )式推导参考刘恩科半导体物理学第六章第二节) 其中 C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数:r 也是常数;V g (0) 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 11)0( n rF gFVV InT q kT TI c Inq kVV?????????????(3) 其中?? rn F g InT q KT V TI c Inq kVV???????????? 1 1)0( 这就是 PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式,它是 PN 结温度传感器的基本方程。令 I F= 常数,则正向压降只随温度而变化,