大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用

大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用得分教师签名批改日期
深圳大学实验报告
课程名称: 大学物理实验(三)
实验名称: pn结的温度特性的研究及应用
学院:
组号指导教师:
报告人: 学号: 班级:
实验地点实验时间:
实验报告提交时间:
1
一、实验设计方案
1、实验目的
了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。

在工作电流恒定的情况下，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。

设计用PN结测温的方法。

2、实验原理
2.1 、PN结正向压降和工作电流、及所处的温度的关系:
PN 结正向压降和工作电流、及所处的温度的基本函数关系如下:
,,KcKT, ----------(1) 0lnlnVVTTVV,,,,，，，，，,,FgLNLqIqF,,
其中: 导带
,19q,，1.610C，为电子的电荷。

禁带
EeV,gF-23-1,K=1.38×10JK，为玻尔兹曼常数，
价带T――绝对温度。

图1 半导体的能带结I――PN结中正向电流。

f
构γ 是热学中的比热容比，是常数。

V(0)是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。

(半导体材料的能带理论中，把未g
排满电子的能量区域称作价带，空着的能量区域叫导带，不能排列电子的能量区域叫禁带，如图1所示。

E叫禁带宽度.) g
,,KTKc,,lnVT 其中，是线性项。

是非线性相。

0lnVVT,,，，，，
NL,,LgqqIF,,
非线性项较小，(常温下)可忽略其影响，在恒流供电条件下PN结的V对T的依赖关系F取决线性项，即正向压降几乎随温度升高而线性下降。

2.2、PN结测温的方法
如果PN结正向压降在某一温度区域和温度变化恒定电流I F成线性关系，就可以利用这一特性将它作为温度传感器的
转换探头，原理如图2所示。

将PN结做成的温度探头放在待温度显示结电压V F测环境中，通以恒定电流，温度变化可以引起结电压变化，图2 PN结测温原理测量结电压，将它转换成温度显示，从而达到测量温度的
目的。

2
在计算机实测实验过程中。

将电压转换成温度显示是很简单的，只需作一个计算就可以了。

2.3、实验装置:
温度传感器
恒流源2 加热装置
PN结恒流源1
750数据接口
加热装置的铜质底座
(其上有两个小洞，计算机及数据处理软件Datasdudio
将PN结和温度传感
器探头分别放入。

图3 实验装置示意图
3选用仪器
仪器名称型号主要参数用途
CI7650 750接口阻抗1 MΩ。

最大的有效输入电压范围?10 V 数据采集处理数据采集平台、CI6874 计算机和DataStudio ——数据处理温度传感器 DH-PN-1 测温范围:-20~150 测温
CI6503 电压传感器电压范围:?10 V AC/DC 数据采集
JDGS061 提供PN结三极管
加热装置————加热
二、实验内容及具体步骤:
1、测绘PN结正向压降随温度变化曲线。

1.1打开DataStudio 软件，创建一个新实验。

1.2在DataStudio 软件的窗口中设置750接口的传感器连接，并设置采样率。

1.3在DataStudio 软件的窗口打开一个图表。

IA,50,1.4给PN结通以的恒定电流; F
1.5给加热装置接通用800mA的电流加热(保持连接，但先不接通);
1.6 接通加热电流的同时在DataStudio 软件窗口中启动数据采集。

2、用PN 结测温的应用一例:测量加热装置(铜底座的自然冷却规律)
仅以此例说明PN结可作为测温元件。

3
1.1在上述实验完成后，在DataStudio 软件的窗口打开一个图表。

IA,50,1.2给PN结通以的恒定电流; F
1.3用PN结作为测检测温度的探头，启动实验，测量铜底座的自然冷却规律。

1.4用电压传感器测量PN结的正向压降。

得到自然冷却过程中PN结的正向压降随时间的变化规律。

1.5在DataStudio中作一个计算，将PN结的正向压降转换成温度，也就是将电压传感器测量PN结的正向压降V作如下计算: F
三、数据记录及数据处理
1、测绘PN结正向压降随温度变化曲线。

图4:PN结正向压降随温度变化曲线
注:上图中通道A的电压就是PN结的正向结电压
2、测绘PN结正向结电压降对温度变化的灵敏度计算:
由图1数据可得PN正向结电压降对温度变化的灵敏度为
,VV -----(2) k,,,0.00215,t
上式的物理意义:在工作电流为50μA的条件下，温度每升高1?，PN正向结电压将降低2.15mV。

PN正向压降和温度的关系是:
Vt,,0.6940.00215 -----(3) F
3、禁带宽度的计算:
导带底和价带顶的电势差:
Vt(0)0.6940.00215,,，F
0.6940.00215(273.2)1.27V,,，,,
EgeVe,,(0)1.27V 禁带宽度 : F
4
硅管禁带宽度公认值为: Ege,,1.21V
,E0.06和公认值的相对差为: ,,,0.0505.0%E1.21
误差主要来源:所用的温度传感器在使用前需要校对，这需要打开仪器盖调线路板的电位器，由于时间和条件限制，没有做这个工作。

4、铜底座的自然冷却规律
实验1中用来加热PN结的铜底座,让它在室温24?时开始自然冷却,用电压传感器记录PN结的压降,同时用温度传感器记录温度, 得到图5和图6。

图5:用温度传感器测温得到的铜的自然冷却规律曲线图6:用PN结测温得到的铜的自然冷却规律曲线
说明:图6的温度是用电压传感器测出PN结的正向电压，然后根据实验内容一得到的关系式(3)即温度和PN正向结电压降的关系:
0.694,VF T,0.00215
在DataStudio中作如下计算:
然后得到的温度。

分析:图5和图6对比可以看出,PN节测出的结果和用温度传感器测出的结果基本是一致的,只是PN节测出的噪声大了些
5
四、实验结论
1、通过实验得出所用:在常温下(0~100?)的PN结(三极管JDGS061的be极)的正向压降随温度是线性下降，基本关系为:。

Vt,,0.6940.00215F 因为线性很好，在在常温下范围内可以用PN 结做温度器。

,V2、PN结(三极管JDGS061的be极)的正向压降对温度的灵敏度为:
K,,2.15mV,t
3、本实验测得的硅管的禁带宽度 : EgeVe,,(0)1.27VF
和公认值1.21eV有5%的误差。

4、在测铜的冷却规律的实验中PN节测出的结果和用温度传感器测出的结果基本是一致，说明了PN结作为温度传感器是可行的。

5、PN结的正向压降对温度的敏感性也会有害的一面，在电路中会造成温度漂移，在电路设计中应当加以考虑。

四、实验总结.
本实验测得的硅管的禁带宽度 :和公认值1.21eV有5%的误差,主要是由于时间Ege,1.27V
紧张，温度传感器没有校正起始点。

本实验中，将PN结的温度特性应用于利用计算机采集数据即计算机实测实验中，体现出方便、快捷、成本极低的优势。

说明PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体小轻巧等优点。

在温度控制以及微机进行温度实时讯号处理等方面有很强的相对优势。

本实验中发现PN结测温度时有噪声，实验在精度要求高时还应作降噪处理。

指导教师批阅意见:
成绩评定:
实验设计方案实验过程数据处理实验结论实验总结总分
(50分) (15分) (10分) (10分) (15分)
6。