3.13 pn结正向压降与温度关系的研究和应用-1
PN结正向压降与温度关系的研究和应用
PN结正向压降与温度关系的研究和应用引言：PN结是半导体器件中常见的结构之一，其正向压降与温度之间的关系对于半导体器件的设计和应用具有重要意义。
本文将对PN结正向压降与温度关系的研究和应用进行探讨。
一、PN结正向压降与温度关系的研究PN结的正向压降是指在正向偏置电压下，PN结两端电势差的大小。
正向压降与温度之间的关系直接影响到PN结的工作性能和稳定性。
因此，研究正向压降与温度关系对于PN结器件的性能优化至关重要。
1.1PN结正向压降随温度的变化规律实验研究表明，PN结的正向压降随温度的增加而减小。
这是由于温度升高，PN结内部的载流子浓度增加，导致正向压降减小。
但是，在一定范围内，正向压降与温度之间存在一个非线性的关系。
当温度升高到一定程度时，由于热激发效应和载流子迁移速度的变化，正向压降开始增大。
1.2温度对PN结的载流子浓度分布的影响温度的改变会引起PN结内的载流子浓度分布的变化，从而影响其正向压降。
一般来说，温度升高会导致载流子浓度的增加，进而减小正向压降。
这是因为升高温度可以提高载流子的能量，从而使得更多的电子和空穴从价带跃迁到导带，增加了导电性能。
1.3温度对PN结的载流子迁移率的影响温度的变化还会影响PN结内载流子的迁移率，进而改变其正向压降。
一般来说，温度的升高会导致载流子的迁移率减小，从而增加了载流子在PN结内的停留时间，减小了正向压降。
二、PN结正向压降与温度关系的应用2.1温度补偿电路由于温度变化对PN结正向压降的影响，可以利用温度补偿电路来校正正向压降的变化。
温度补偿电路的原理是利用与温度成反比的电压源在PN结上产生一个与温度变化补偿相等的电压，从而实现对正向压降的补偿，保持其稳定性。
2.2温度传感器根据PN结正向压降与温度的关系，可以设计成温度传感器。
通过测量正向压降的变化，就可以推算出所测量的温度。
这种基于正向压降的温度传感器具有结构简单、成本低廉等优点，在很多领域有广泛的应用。
PN结正向压降与温度关系的研究实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究实验报告实验报告：PN结正向压降与温度关系的研究实验摘要：本实验旨在研究PN结正向压降与温度之间的关系。
通过改变PN结的温度，测量对应的正向压降，并分析得出结论。
实验结果表明，PN结的正向压降与温度呈正相关关系。
引言：PN结是半导体器件中的重要组成部分，其正向压降是衡量PN结导通能力的重要参数。
正向压降与温度之间的关系对于理解和优化半导体器件的性能具有重要意义。
因此，研究正向压降与温度之间的关系对于半导体器件的应用具有重要的理论和实际意义。
实验材料和方法：1.实验材料：PN结样品、测量仪器（包括数字万用表、恒流源等）。
2.实验方法：a.搭建实验电路，将PN结样品连接到恒流源，设置合适的电流值。
b.测量不同温度下PN结的正向压降，记录实验数据。
c.对实验数据进行处理和分析，得出结论。
实验结果：在实验过程中，我们固定了恒流源的电流值为I=10mA。
通过改变PN结的温度，在不同温度下测量了对应的正向压降数据，将实验数据整理如下：温度(℃)正向压降(V)250.6300.65350.68400.7450.72500.75550.78600.82讨论和结论：实验结果表明，PN结的正向压降与温度呈正相关关系。
这可能是由于温度升高导致了载流子在PN结中的增加，进而导致了正向电流的增加，从而使正向压降增加。
此外，温度升高还可能导致半导体材料的电阻变化，进而影响了正向压降。
综上所述，通过对PN结正向压降与温度关系的研究实验，我们发现正向压降与温度呈正相关关系。
这对于理解PN结的导通特性和优化半导体器件的性能具有重要意义。
附录：实验数据表格温度(℃)正向压降(V) 250.6300.65350.68400.7450.72500.75550.78。
PN结正向压降与温度关系的研究和应用实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究和应用一、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、在恒流条件下，测绘PN结正向压降随温度变化的曲线,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。
二、实验原理图1 p-n结基本结构价带顶部激发电子到导带相当于共价键上缺少一个电子而出现一个空位置，而在晶格间隙出现一个导电电子。
空状态带有正电荷，叫“空穴”。
空穴能导电，具有有效质量。
**n p m m -=3.PN结的形成当p型半导体和n型半导体接触在一起时,在两者的交界面处存在着一个过渡区,通常称为p-n结.三、实验仪器•TH-J型PN结正向压降与温度关系测量仪•五芯电缆一根四、实验步骤1、实验系统的连接控制电流开关置“关”的位置，此时加热指示灯不亮，接上加热电源线及信号传输线将样品室与仪器相连。
注意定位标记。
拆除时应拉插头外套不可硬拉和转动。
2、V ~T 的测量和调零 开启仪器背部的电源开关，加热数分钟后，将“测量选择”开关（以下简称K ）拔到 档，由“ 调节”使 =50µA ，记下当时温度值。
将K 拔到△V 档，由 “△V 调零”使△V=0。
3、 测曲线开启加热电源（指示灯亮）加热电流范围0.2～0.3A ，并记录△V 和T 值，按每改变10mV 立即读取相应T 值。
为使整个实验符合热力学条件，在实验过程中升温速度要慢。
4、求被测PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S （ ）F/mv C作 曲线，求斜率S 。
五、实验数据记录V(mv)-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65-70 T( C) 24.1 26.4 28.6 30.8 33.0 35.2 37.4 39.5 41.7 43.8 46.0 48.2 50.3 52.4实验起始温度： 21.4℃工作电流： = 50µA 起始温度时的正向压降： 573mV六、数据处理过程及结果、结论s T =FI ()F R V T =七、注意事项1、仪器连接线的芯线较细，所以使用时应注意，不可用力过猛。
PN结正向压降与温度
PN 结正向压降与温度关系的研究和应用[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，如热电偶使用温度范围宽，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，尤其是温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时讯号处理等方面，乃是其它温度传感器所不能比拟的，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 ／℃、分辨率不低于0.1℃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温度传感器也不是尽善尽美的，在非线性不超过标准值0.5％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一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。
[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。
1PN结正向压降和温度关系的研究
1PN结正向压降和温度关系的研究引言：PN结是最常见的半导体器件之一，它具有正向导通和反向截止的特性。
在PN结正向导通状态下，电流能够流过晶体管，而正向压降是电流在PN结上产生的电压降。
正向压降与温度之间存在一定的关系，这对于设计和优化电子器件的工程师来说非常重要。
因此，本文将对PN结正向压降与温度关系的研究进行讨论。
正向压降的定义：PN结的正向压降是指在正向极性下，电流通过PN结时产生的电压降。
在正常工作条件下，当PN结正向偏置电压增加时，正向导通电流也会逐渐增大。
根据欧姆定律，电压降正比于电流，并可以表示为Vf=If*Rf，其中Vf是正向压降，If是正向电流，Rf是PN结的正向电阻。
温度对PN结正向压降的影响：温度对PN结正向压降有直接的影响。
随着温度的升高，PN结的导电性会发生变化，从而对正向压降产生影响。
在低温下，半导体中载流子的运动受限制，同时PN结的扩散电阻增加，导致正向压降较大。
而在高温下，由于晶体中载流子的热激发增多，电阻减小，正向压降减小。
因此，可以得出一个结论：PN结的正向压降随着温度的升高而减小。
正向压降与热失真的关系：除了温度对PN结正向压降的直接影响外，温度还会对半导体材料的电阻特性产生影响，从而影响到正向压降。
由于热失真的存在，半导体材料的电阻随温度的变化而变化。
在PN结正向导通过程中，由于电流通过PN结时会产生热量，这将导致PN结局部局部温度升高。
随着局部温度的升高，材料的电阻值也会随之增大。
因此，在实际工作中需要考虑到这种热失真的影响，以准确计算和优化PN结的正向压降。
结论：PN结的正向压降与温度之间有一定的关系。
随着温度的升高，PN结的正向压降会减小。
这是由于温度升高导致半导体材料载流子的热激发增多，电阻减小的结果。
此外，温度还会引起热失真，导致电阻随温度变化，进一步影响到PN结的正向压降。
因此，研究PN结正向压降与温度关系对于电子器件的设计和优化具有重要意义，能够帮助工程师准确计算和改进器件的性能。
PN结正向压降与温度的关系的研究与应用
PN结正向压降与温度的关系的研究与应用PN结是半导体器件中最基本的一种结构，由P型半导体和N型半导体两种材料组成。
PN结在电路中有广泛应用，如整流器、调制解调器、光电器件等。
在PN结的使用中，其正向导通特性对于电路的性能有很大影响。
其中，PN结的正向压降与温度之间有着密切的关系，在研究和应用中需要重视这方面的影响。
PN结的正向压降指的是PN结在正向偏置下导通时，在PN结两端的电压差。
在理想情况下，PN结的正向压降应为0V，即PN结两端电势相等，但实际情况下，由于PN结内部存在内电场，因此存在一定的正向压降。
当PN结正向偏置电压逐渐增加时，由于PN结被带电，一部分载流子会从P区和N区注入PN结，在PN结中产生电流，使得PN结两端电势差逐渐减小。
当PN结两端电势相等时，PN结达到饱和态，此时的电压即为PN结的正向压降。
PN结的正向压降与温度之间有密切的关系。
随着温度的升高，PN结中载流子浓度增加，PN结内部电场强度减小，因此导致正向压降的减小。
此外，在PN结的制备过程中，材料的晶体结构、杂质掺杂等因素也可能会影响PN结正向压降与温度之间的关系。
在应用中，PN结的正向压降的大小对于电路的性能具有重要影响。
在整流电路中，正向压降要足够小，以保证电路的正向导通性；在反向电路中，正向压降要足够大，以保证电路的反向截止性。
因此，在PN结的设计与制备中，需要充分考虑PN结正向压降与温度之间的关系，采用适当的制备工艺和优化设计，来达到更好的电路性能。
总之，PN结正向压降与温度之间的关系是半导体器件中的重要研究方向之一。
在实际应用中，需要深入研究这方面的影响，以充分利用PN结的优良性能，为电路的设计与制备提供更好的实践指导。
PN结正向压降与温度关系的研究和应用实验报告
PN结正向压降与温度关系的研究和应用实验报告摘要：本实验通过测量PN结正向偏置情况下的正向压降随温度的变化，研究PN结的温度特性，并探索其在实际应用中的可能的应用。
引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，其正向特性在电子学领域具有重要的应用价值。
而PN结的温度特性对于器件的工作稳定性和可靠性有较大的影响。
因此，研究PN结的温度特性，尤其是正向压降与温度的关系，对于提高器件性能有着重要意义。
实验目的：1.研究PN结的温度特性，特别是正向压降随温度的变化规律；2.探索PN结温度特性相关的应用，例如热敏电阻等。
实验原理：PN结在正向偏置情况下，通过正向电流使得P区载流子与N区载流子复合，产生电压降。
根据热力学原理，温度升高会提供更多的热能，促使载流子的热激发增加，从而降低正向电压的阻挡力。
因此，PN结正向压降与温度呈负相关。
实验步骤：1.搭建实验电路：将PN结与电源和电流测量仪连接，确保电路连接正确。
2.在实验装置中设置好温度传感器，与PN结接触。
3.调节电源的正向电流，并分别测量不同温度下的正向压降和电流。
4.依次调节不同温度下的电流，重复步骤3，记录数据。
实验结果：将测得的正向电流和压降数据制成表格，并绘制电压-温度曲线和电流-温度曲线。
讨论：通过分析实验结果，可以发现PN结的正向压降随着温度的升高而逐渐降低，且呈现较大的线性关系。
这与实验原理的推测相符合。
应用：基于PN结正向压降与温度的关系，我们可以将其应用于热敏电阻的制备和温度测量。
热敏电阻可以根据PN结的特性，根据温度的变化来改变电阻值，从而实现温度的感应和测量。
这在实际工业控制和家用电器中具有广阔的应用前景。
结论：通过本实验研究PN结的温度特性，我们发现PN结的正向压降随着温度升高而逐渐降低，并且可以将该特性应用于热敏电阻的制备和温度测量中。
实验结果对于提高PN结的性能和应用具有重要参考价值。
大学物理实验PN结正向压降温度特性的研究实验报告
∆ = | Eg (TS ) − E(TS ) | = |1.209 −1.21| = 0.0008 = 0.08%
E(TS )
E(TS )
1.21
在升温过程中 S=-2.19805mV/℃,那么根据公式计算得 Vgv = VF (TS ) + VF (0) ∆T = VF (273.2 + TS ) + S ⋅ ∆T = [598 /1000 + (−2.19805) × (−273.2) /1000]V = 1.199V
T T1
r
V F理想
= VF1
+
∂VF1 ∂T
(T
− T1 )
[ ] V理想 = VF1 + − Vg − VF1 − k r(T − T1 ) = Vg (0) − Vg (0) − VF1 T − k (T − T1 )r
T1
q
T1 q
两个表达式相比较，有：
∆ = V理想 − VF = − k r(T − T1 ) + kT Ln( T )r
c IF
T
( ) Vn1 = − KT InT r q
在上面 PN 结正向压降的函数中，令 IF=常数，那么 VF 就是 T 的函数。 考虑 Vn1 引起的线性误差，当温度从 T1 变为 T，电压由 VF1 变为 VF：
[ ] VF
= Vg (0) −
Vg (0) − VF1
T T1
−
kT q
1 n
0
-20
A
-40
Linear Fit of Data1_A
-60
PN结正向压降与温度关系的研究(1)
A-样品室
B-样品座
P2
D-待测 PN结
T-测温元件
P1-D、T引线座
H-加热器
P2-加热电源插孔
图 1样品架结构图
A
HHH
D
T
B
测试仪由恒流源，基准电源和显示单元等组成。恒流源有两组，一组提供 I，电流输出 在 0∽1000 A范围内连续可调，另一组用于加热，控温电流为 0.1-1A,分为十档,每档改变
），其工作
温度范围为
（即-55℃-150℃），相应输出电压为
。
在保持测量精度不变的情况下，为了简化电路，将绝对温标转换成摄氏温标，专门设置了一
组
的基准电压，对应于-55℃-150℃的工作 温区，输出电压为
，
因而可采用
的
位的 LED显示器测量温度 。此外 ，还设有一组量程为
的 位的 LED显示器通过“测量选择”开关换档来分别显示
引起的。由⑷式可以看出，减小 ，可以改善线性度，但这不能从根本上解决问题，目
前行之有效的方法是利用对管的两个 be结（即三极管基极和集电极短路后与发射机组成一
个 PN结）分别在不同电流
下工作，得到两者电压差
与温度间的线性关
系：
使之与单个 PN结相比线性度与精度有所提高。将这种电路与恒流、放大等电路集成一体， 便构成集成电路传感器。
一.实验目的
1． 了解 PN结正向压降随温度变化的基本关系，测定 PN结
特性曲线。
2． 测绘 PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及 PN结材料的禁 带宽度。
3． 学会用 PN结测量温度的一般方法。
二.实验仪器
．SQ-J型 PN结特性测试仪，三极管（3DG6），测温元件，样品支架等。
14、PN结正向压降与温度关系的研究和应用
实验十四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；热敏电阻的灵敏度高、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很不方便；测温电阻如铂电阻有精度高、线性好的优点，但是灵敏度低，且价格较贵；而PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快、体积小、轻便和集成化等特点，所以其应用势必日趋广泛，但是这类温度传感器的工作温度一般为-55℃～150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，有待于进一步的改进和开发。
【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.在恒流条件下，测绘PN结正向压降随温度变化的曲线,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。
【实验仪器】1.PN结正向压降温度特性实验仪由两部分组成：加热测试装置和测试仪，其实物照片如图1所示。
测试仪加热测试装置图1 PN结正向压降温度特性实验仪2. 仪器结构及说明2.1 加热测试装置图2 加热测试装置A →隔离圆筒B →测试圆筒块C →测温元件D →被测PN 结E →加热器F →隔离圆柱G →加热电源插座H →信号输出插座I →信号线筒J →隔离圆筒上盖K →固定横杆L →固定竖杆M →固定底板N →装置底脚如图2所示，，被测PN 结和温度传感器均置于测试圆筒块上；加热器装于铜块中心柱体内，通过热隔离后与外壳固定；引线通过高温导线连至顶部插座，再由顶部插座用专用导线连至测试仪；加热器电源插座，接至测试仪的“10”、“11”端。
2.2 测试仪部分图3 PN 结正向压降温度特性实验仪测试仪部分（1）加热器电流I H 指示 （2）微电流I F 指示 （3）V F 、△V 电压指示（4）温度指示 （5）加热器电流I H 调节 （6）微电流I F 调节 （7）△V 调零 （8）V F 测量选择 （9）△V 测量选择（10）加热电流输出“+” （11）加热电流输出“-” （12）微电流I F 输出“+”（13）微电流I F 输出“-” （14）V F 输入“+” （15） V F 输入“-” （16）温度传感器输入“+” （17）温度传感器输入“-”测试仪由恒流源、基准电压和显示等部分组成，原理框图见图4：图4 测试仪原理框图在图4中,D 为被测PN 结,R F 为I F 的取样电阻,开关K 用于选择测量对象和极性变换的作用,其中P 1、P 2测量I F ，P 1、P 3测量V F ，P 1、P 4测量△V 电压。
PN结正向压降与温度的关系的研究与应用
PN结正向压降与温度的关系的研究与应用PN结是半导体器件中最基本的元件之一，广泛应用于电子设备中。
对于PN结而言，正向电压是指在N端施加电压，P端接地的情况下，PN结两侧产生的瞬态电势差。
正向压降与温度的关系是一种重要的研究内容，对于器件的设计、应用和性能分析具有重要意义。
首先，正向压降与温度的关系是一种热特性，通常称之为“温度特性”，其研究方法可以采用实验测量和理论分析相结合的方法。
实验测量是获得PN结正向压降与温度关系的重要手段之一、通过在不同温度条件下测量PN结的正向压降，可以获取一系列数据点，再通过拟合得到正向压降与温度之间的关系曲线。
实验测量需要一定的实验设备和条件，能够准确地测量出温度对正向压降的影响。
同时，实验测量还可通过改变其他PN结参数（如掺杂浓度、载流子浓度等）来获得更丰富的数据，以分析PN结正向压降与温度的关系。
理论分析是进一步研究PN结正向压降与温度关系的方法之一、理论分析中常使用的方法有热平衡方程法、材料参数逼近法、数值模拟方法等。
热平衡方程法基于能带稳态分布和载流子平衡态下的静态方程求解，可以获得正向压降与温度关系的解析解。
材料参数逼近法则通过拟合输入-输出关系方程，使其能够准确描述温度对正向压降的影响。
数值模拟方法则利用计算机软件对PN结进行建模和仿真，以求解正向压降与温度的关系。
这些方法在不同情况下具有不同的适用性，可供研究者选择使用。
正向压降与温度的关系研究的应用非常广泛。
首先，对于半导体器件设计和制造而言，正向压降与温度的关系是设计和优化器件性能的重要因素。
通过对PN结正向压降与温度关系的研究，可以优化器件的工作温度范围，提高器件的可靠性和稳定性。
其次，正向压降与温度的关系也在故障诊断和可靠性评估中具有重要意义。
对于电子设备而言，正向压降是正常工作的必要条件之一，其异常变化可能导致器件的性能下降或故障。
通过研究和分析正向压降与温度的关系，可以检测出可能存在的故障或偏离工作范围的情况，并采取相应的措施进行修复和改进。
大学物理实验PN结正向压降与温度特性的研究实验报告(完整)
PN 结正向压降与温度特性的研究一、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。
二、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(kTqV Is I 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(ex p[kTqV CT Is g r -= （2）（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 r F g F V V InT q kT T IcIn q k V V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3） 其中()rn F g InT qKTV T Ic In q k V V -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=11)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，但是在方程（3）中，除线性项V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。
设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得[]rn F g g F T T q kT T T V V V V ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=1111)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式：)(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5） TV F ∂∂1等于T 1温度时的T V F ∂∂值。
由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=∂∂111)0( （6） 所以()[]()r T T q kT T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)0()0(----=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+=理想（7）由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为()r F T T Ln q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆理想 （8）设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=3.4*,由（8）式可得∆=0.048mV ，而相应的V F 的改变量约20mV ，相比之下误差甚小。
pn节 正向压降与温度的关系
pn节正向压降与温度的关系正向压降与温度的关系是一个在工程领域中常常涉及到的问题。
正向压降是指流体在流动过程中由于管道摩擦和阻力而产生的压力损失。
而温度则是指流体在流动过程中的温度变化。
这两个因素之间的关系对于工程设计和操作来说非常重要。
本文将从理论和实际应用两个方面来探讨正向压降与温度的关系。
从理论上来说，正向压降与温度的关系可以通过流体力学和热力学的原理进行解释。
在流体力学中，正向压降是由于流体在管道中流动时与管道壁面之间的摩擦力和管道内部的阻力所产生的。
而温度的变化则是由于流体在流动过程中的能量转化和热交换引起的。
根据热力学的原理，流体的温度会随着压力的变化而变化，即当流体经过管道时，由于正向压降的存在，流体的压力会下降，同时也会引起温度的变化。
在实际应用中，正向压降与温度的关系对于工程设计和操作具有重要的影响。
首先，正向压降会导致流体的压力损失，从而影响工程系统的运行效率和能耗。
在一些需要高压力和高温度的工程系统中，如石油化工和电力工程，正向压降的控制非常关键。
通过合理设计管道的直径和长度，选择合适的流体速度和材料，可以减小正向压降的大小，从而提高工程系统的效率。
正向压降与温度的关系还会对流体的输送和处理过程产生影响。
在一些需要对流体进行加热或冷却的工程系统中，正向压降的大小和流体的温度变化密切相关。
通过控制正向压降的大小，可以实现对流体温度的控制和调节。
在一些化工和石油工程中，正向压降的控制和温度的调节是非常重要的技术要求。
正向压降与温度的关系还会对流体的输送和处理过程产生影响。
在一些需要对流体进行加热或冷却的工程系统中，正向压降的大小和流体的温度变化密切相关。
通过控制正向压降的大小，可以实现对流体温度的控制和调节。
在一些化工和石油工程中，正向压降的控制和温度的调节是非常重要的技术要求。
正向压降与温度的关系在工程领域中具有重要的意义。
理论上，正向压降与温度的关系可以通过流体力学和热力学的原理进行解释。
PN结正向压降与温度特性的研究
PN结正向压降与温度特性的研究PN结是一种由p型和n型半导体材料组成的结构。
当PN结正向偏压时，即正电压加在p端，负电压加在n端，电子会从n端向p端移动，空穴则从p端向n端移动，这样电子和空穴会在PN结内部结合并释放能量。
在正向偏置条件下，PN结中会形成一个正电荷区和一个负电荷区，也即空间电荷区。
在PN结区域的每一个离子，无论是自由电子还是离去的空穴，都会在这个区域创建电场。
这个电场会反向作用于电流移动的电荷，并在PN结上产生一个电势垒。
电势垒的形成与正向压降息息相关。
PN结正向压降与温度特性是很重要的研究方向。
首先，正向压降对于PN结的工作状态和性能有直接影响。
正向压降与电流的关系可以用理想二极管方程来描述，即正向电流与正向压降成正比。
研究正向压降对于理解PN结的电流特性和其在电子器件中的应用具有重要意义。
其次，温度也会对PN结的电流特性产生影响。
随着温度升高，PN结中激发的载流子会增多，这样在相同的正向压降下，电流会增加。
此外，温度的变化还会引起PN结的电容特性改变，这对于高频应用和射频器件设计具有重要意义。
针对PN结正向压降与温度特性的研究，可以从以下几个方面入手：首先，可以通过实验手段来研究PN结正向压降与温度的关系。
可以设计合适的实验装置，通过改变温度和正向压降的大小，测量PN结中的电流变化情况。
可以制备不同结构和材料的PN结样品，来研究不同条件下的正向压降与温度特性。
实验结果可以通过绘制电流-电压曲线和温度-电流曲线的方式进行分析，得出PN结正向压降与温度的关系。
其次，可以通过理论模型来研究PN结正向压降与温度特性。
可以使用PN结的等效电路模型，结合材料的能带理论和扩散电流理论，建立PN结正向电压与电流的关系。
可以通过改变温度参数，得到PN结正向压降与温度的变化规律。
这样的理论研究可以为实验结果提供合理的解释，并为PN结在电子器件设计中的应用提供理论指导。
最后，可以通过数值模拟的方法来研究PN结正向压降与温度特性。
PN结正向压降与温度关系的研究和应用
PN 结正向压降与温度关系的研究和应用一、 实验简介：众所周知，常用于温度的传感器有热电偶，测度电阻器和热敏电阻，红外测温仪等。
其中，PN 结温度传感器具有灵敏度高，线性好，响应快易于集成化等，其他传感器无法比拟的优点，工作温度范围一般在－50℃～150℃灵敏度可达100MV/℃。
而本实验PN 结只有2.2MV/℃左右。
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 结测温度的方法。
三、 实验原理：人们将高价元素（例如：P ）掺杂到硅材料中，由于磷元素多电子，使材料主要以电子导电称P 型半导体，将三价的硼元素掺杂到硅材料中使材料中出现大量空穴称N 型半导体材料。
将P 型材料同N 型材料粘合在一起由于电子和空穴的扩散复合形成PN 结。
PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式：()()γT q KT T I cqkV V Fg Fln ln0-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 其中：V g （0）――绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。
q ――电子的电荷。
K ――玻尔兹曼常数。
T ――绝对温度。
I f ――PN 结中正向电流。
γ――常数。
V F 中非线性项较小，（低温下）可忽略工其影响，而认为在恒流供电条件下PN 结的V F 对T 的依赖关系取决线性项，即正向压降几乎随温度 升高而线性下降，这就是PN 结测温依据。
四、实验装置：实验系统由样品架和测试仪两部分组成。
五、实验方法和内容：1.实验系统检查与连接。
A 、 取下样品室的筒套，查待测PN 结管和测温元件应分别放在铜座的左右两侧圆孔内，其管脚不与容器接触，然后拧紧筒套。
B 、 控温电流开关应放在“关”的位置，此时加热指示灯不亮，接上加热电源线和信号传输线。
2. V F （TR ）的测量和调零开启测试仪电源预热数分钟后，将“测量选择”拔到I F 由“I F 调节”使I F ＝50微安。
3.13 pn结正向压降与温度关系的研究和应用-1
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F I 和压降F U 存在如下近似关系式：)(exp Tk qU I I FS F = （3.13.1） 其中q 为电子电荷；k 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；S I 为反向饱和电流（和PN 结材料的禁带宽度以及温度等有关），可以证明)(exp )0(Tk U q CT I S S -=γ(3.13.2)式中，C 是与结面积、杂质浓度等有关的常数；γ也是常数；)0(S U 为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶之间的电势差。
对应的)0(S qU 即为PN 结材料的禁带宽度。
将式(3.13.2)代入式(3.13.1)，两边取对数可得11)0(ln )ln (n F S F U U T qkTI C q kT U U +=--=γ （3.13.3） 式中，)ln ()0(1FS I Cq kT U U -=，γT q kT U n ln 1-= 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。
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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F I 和压降F U 存在如下近似关系式：)(exp Tk qU I I FS F = （3.13.1） 其中q 为电子电荷；k 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；S I 为反向饱和电流（和PN 结材料的禁带宽度以及温度等有关），可以证明)(exp )0(Tk U q CT I S S -=γ(3.13.2)式中，C 是与结面积、杂质浓度等有关的常数；γ也是常数；)0(S U 为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶之间的电势差。
对应的)0(S qU 即为PN 结材料的禁带宽度。
将式(3.13.2)代入式(3.13.1)，两边取对数可得11)0(ln )ln (n F S F U U T qkTI C q kT U U +=--=γ （3.13.3） 式中，)ln ()0(1FS I Cq kT U U -=，γT q kT U n ln 1-= 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F I =常数，则正向压降只随温度而变化，但是在式(3.13.3)中，除线性项1U 外还包含非线性项1n U 。
下面来分析一下1n U 项所引起的线性误差。
设温度由1T 变为T 时，正向电压由1F U 变为F U ，由式(3.13.3)可得γ)(ln ][11)0()0(1T T q kT T T U U U U F S S F ---= （3.13.4） 按理想的线性温度响应，F U 应取如下形式：)(111T T TU U U F F -∂∂+=理想 （3.13.5）TU F ∂∂1等于1T 时的TU F∂∂。
由式(3.13.3)可得 γqkTU U TU F S F --=∂∂11)0( (3.13.6) 将式（3.13.6）代入式（3.13.5），有)(][)(][11)0()0(1)0(11T T qk T T U U U T T qkT U U U F S S S F ---+=--+=γγ理想 (3.13.7)通过对理想的线性温度响应式(3.13.7)和实际响应式(3.13.4)比较，可得实际响应与线性的理论偏差为)ln()(11T Tq kT T T q k U U F γγ+-=-=∆理想 (3.13.8) 设K T 3001=，K T 310=，取4.3=γ，由式(3.13.8)可得mV 048.0=∆，而相应的F U 的改变量约mV 20，由此可见，两者相比之下误差甚小。
不过，当温度变化范围增大时，F U 温度响应的非线性误差将有所递增，这主要由于γ因子所致。
若不考虑非线性项的影响，则可得TU T U U F F S ∂∂⋅+=11)0(综上所述，在恒流小电流的条件下，PN 结的F U 对T 的依赖关系取决于线性项1U ，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN 结测温的理论依据。
因此，由式（3.13.8）可以得到一个测量PN 结的结电压F U 与热力学温度T 关系的近似关系式：T S U T I C q k U U S FSF ⋅+=-=)0()0()ln ( (3.13.9) 式中，S 为PN 结温度传感器的灵敏度。
应当指出的是，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，温度范围约为℃150~50-）。
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，T U F ~将产生新的非线性，这一现象说明T U F ~的特性还与PN 结的材料有关，对于宽带材料(如GaAs)的PN 结，其高温端的线性区宽；而材料杂质电离能小(如InSb)的PN 结，其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1n U 引起的。
由1n U 对T 的二阶导数T T U n 1212=∂∂可知，TU n ∂∂1的变化与T 成反比，所以T U F ~在高温端的线性度优于低温端，这是PN 结温度传感器的普遍规律。
此外，由式(3.13.4)可知，减小F I ，可以有效地改善T U F ~的线性度，但并不能从根本上解决上述问题。
目前，行之有效的方法大致有两种：1. 利用三极管的两个be 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1F I 、2F I 下工作，由此获得两者电压之差（12F F U U -）与温度T 成线性函数关系，即2112ln F F F F I I q T k U U =- 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，便构成了集成电路温度传感器。
2. 采用电流函数发生器来消除非线性误差。
由式(3.13.3)可知，非线性误差来自γT 项，利用函数发生器，使F I 正比于绝对温度γ次方，则T U F ~的线性理论误差为0=∆，实验结果与理论值颇为一致，其精度可达℃01.0。
【实验装置】本实验仪器由两部分组成： 1. 温度传感器实验装置本装置是以Pt100为温度传感器进行温度测量和温度控制的。
该装置所使用的温度传感器Pt100的控温范围为从室温到120℃，控制精度可达0.2℃，分辨率为0.1℃。
同时，该装置的加热部分配有风扇，在降温实验过程中可采用风扇快速降温。
2. PN 结正向特性综合实验仪本实验仪将测量波尔兹曼常数和禁带宽度的实验内容统一到一个实验过程中，只需测量出正向电压随正向电流的变化曲线就可以得到波尔兹曼常数和禁带宽度这两个物理量。
为了更精确地测量玻尔兹曼常数，本实验仪没有采用常规的加正向压降测正向微电流的方法，而是特别设计了一个能稳定输出1nA~1mA 范围的精密微电流源，从而避免了因测量微电流跳字、不稳定而引起的误差。
实验仪的面板如图3.13.1所示。
“正向电流”显示的是PN 结的正向电流，显示数值的单位为“nA ”；“正向电压”显示的是PN 结的实时的正向电压，显示数值的单位为“V ”。
微电流源的有效量程分为4个档位，范围从1nA 到1mA ，分段可调。
“开路”档时，正向电流源输出为0。
电流表最大显示是“1999”，电流有效量程档位“×1”、“×10”、“×102”和“×103”对应的最大电流显示值分别为1.999μA、19.99μA、199.9μA和1.999mA。
【实验内容和步骤】实验前，将温度传感器实验装置上的“加热电流”开关置于“关”位置，将“风扇电流”开关置于“关”的位置，接上加热电源线。
如图3.13.1和图3.13.2所示，插好Pt100温度传感器和PN结温度传感器。
Pt100温度传感器的引出线分别插入温控仪的信号输出孔，PN结引出线分别插入PN结正向特性综合实验仪上的+V、-V和+I、-I。
接线时，注意插头的颜色和插孔的位置。
打开电源开关，此时，温度传感器实验装置上将显示出室温t R，记录起始温度t R。
为了获得较为准确的测量结果，应在仪器通电预热10分钟后进行实验。
图3.13.1 PN结传感器与PN结实验仪的连线图3.13.2 温控仪与恒温炉的连线1. 测量同一温度下，正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线；（1）首先，将PN结正向特性综合实验仪上的电流量程置于“×1”档，再调整“电流调节”旋钮，观察对应的F U 值的变化。
（注意：若电流表显示到达“1000”，应改用大一档的量程。
）（2）按照表3.13.1的F U 值来调节设定电流值，记录下一系列电压、电流值于表3.13.1。
表3.13.1 同一温度下，正向电压与正向电流的关系 t = ℃（3）重新设定一个合适的温度值，待温度稳定后，重复以上实验。
(4) 根据式（3.13.1），利用图解法，计算出PN 结材料的反向饱和电流S I 和波尔兹曼常数k ，并与公认值1231038.1--⋅⨯=K J k 进行比较。
2. 在同一恒定正向电流条件下，测绘PN 结正向压降随温度的变化曲线，确定其灵敏度，估算被测PN 结材料的禁带宽度；（1）选择合适的正向电流F I ，并保持不变。
（一般选小于100μA 的值，以减小自身热效应。
）（2）将温度传感器实验装置上的“加热电流”开关置于“开”，再根据目标温度，选择合适的加热电流，在实验时间允许的情况下，加热电流可以取得小一点，一般取0.3~0.6A 之间。
（3）随着加热炉内温度的升高，记录对应的t 和F U 于表3.13.2中。
（t 的温度间隔建议设定为5℃）表3.13.2 同一正向电流下，正向电压与温度的关系 I = μA（4）根据式（3.13.9），利用图解法，计算出PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S （单位：mV/K ）和PN 结材料的禁带宽度，并与公认值eV E 21.10=进行比较。
3. 用Excel 分别对表3.13.1和表3.13.2中的数据进行回归分析，计算出相应的物理量。
【注意事项】1. 在实验过程中及实验结束后，禁止用手触碰加热炉的钢制保护套，以免烫伤！2. 加热装置的目标温度不应超过120℃，否则将造成仪器老化或故障。
3. 仪器的连接线要注意使用，有插口方向的要对齐插拔。
插拔时不可用力过猛。
4. 请勿使用普通的万用表或其它仪器，直接测量或对比PN 结的正向电压和正向微电流，否则会造成失准的结果。
5. 在选择电流量程时，在保证测量范围的前提下，应尽量选择低档位，以提高测量精度。