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
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结正向压降与温度系应用
PN结变薄
+
----
----
+++---+++---+++-+++---
-
外电场
PN结加正向电压VF则导通， 产生正向电流IF
P-N结的变化
PN结变厚
-
- - - - ++ ++-
---
-
---
++ ++
++-++-
+
内电场
外电场
若在PN结加反向电压，则N型中的电子和P型 中的空穴都难通过阻挡层，电流极小。
P-N结的形成
PN结 厚度约10-10m
P型
-
-
-
---内电+++场+++--+++--+++---N-型
内电场阻止多数载流子扩散
从界面的N侧指向P型的“内建电场”，阻止N型电子和P型空穴进 一步越过边界扩散，从而达到一个平衡状态，P-N结中的自由电荷少， 是一个高阻挡层。
P-N结的变化
+
----
----
++++++------+++-+++---
-
外电场
由于阻挡层的存在，外加电压加到PN结两端时，阻挡层处的电 势差将发生改变。
加正向电压时，外电场的方向与阻挡层的电场方向正好相反， 从而使阻挡层变薄，于是N型中的电子和P型中的空穴易于通过阻 挡层，向对方继续扩散，进而形成正向电流。
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。
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 c q k V V F g F ln ln 0-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 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.VF（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IF 由“IF调节”使IF ＝50微安。
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
PN结正向压降与温度关系的研究随着半导体工艺水平的不断提高和发展,半导体PN结正向压降随温度升高而降低的特性使PN结作为测温元件成为可能,过去由于PN 结的参数不稳,它的应用受到了极大限制,进入二十世纪七十年代以来,微电子技术的发展日趋成熟和完善,PN结作为测温元件受到了广泛的关注。
温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温系数传感器的阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN结属于负温度系数的传感器。
这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如铂电阻虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。
相比之下，PN结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而获得了广泛的应用。
一.实验目的1．了解PN结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN结IF?VF 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。
三．实验原理1．PN结IF?VF特性的测量由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN结的正向电流IF与正向电压VF满足以下关系；IF=Is（expeVF-1）⑴kT式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，Is 为反向饱和电流，它是一个与PN结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。
由于在常温（300K）下，kT/q=0.026,而PN结的正向压降一般为零点几伏,所以exp的第二项可以忽略不计,于是有eVF》1,上式括号内kTIF?IsexpeVF ⑵kT这就是PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN结的IF?VF关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T 后,就可得到e/k常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k。
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。
1、PN结正向压降和温度关系的研究
PN 结正向压降与温度关系的研究一、 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。
理想PN 结的正向电流I F 和压降V F 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；I S 为反])0(exp[kT qV CT I g rs -=(2))ex p(kT qV I I F s F =(1)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。
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）；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，两边取对数可得其中 ，)(ln 1rn T qkT V -= 方程（3）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。
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。
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。
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。
PN结正向压降温度特性的研究和应用
感器的普遍规律．此外，由（４）式可知，减小
矗，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问
题，目前行之有效的方法大致有两种：
１）利用对管的两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），分析
在不同电流矗。，矗。下工作，由此获得两者电压
之差（ｙＦ。一¨２）与温度成线性函数关系，即
ｌＴ
，ｒ、
ｙ，，一¨，＝竺三ｌｎｌ善ｌ
例于绝对温度的ｒ次方，则ｎ一丁的线性理论
误差为△＝０，实验结果与理论值颇为一致，其 精度可达０．０１℃．
２实验装置
实验系统由样品架和测试仪两部分组成． 样品架的结构如图１所示，其中Ａ为样品室， 是一个可卸的筒状金属容器，筒盖内设橡皮Ｏ 圈盖与筒套具相应的螺纹，可使两者旋紧保持 密封．待测ＰＮ结样管（采用３ＤＧ６晶体管的基 极与集电极短接作为正极，发射极作为负极，构 成一只二极管）和测温元件（ＡＤ５９０）均置于铜 座Ｂ上，其管脚通过高温导线分别穿过两旁空 一芯细管与项部插座Ｐ连接，通过Ｐ将被测ＰＮ 结的温度和电压信号输入测试仪．加热器Ｈ装 在中心管的支座下，其发热部位埋在铜座Ｂ的 中心柱体内．
设温度由丁，变为丁时，正向压降由ｙｒ。变 为ｎ，将丁。代入（３）式得¨。，由ｎ。表达式
解出鲁ｌｎ（石Ｃ），代入（３）式可得
ＶＦ＝Ｖｓ（。）一［ｙ。（。）一ｙ，，）亍Ｔ：一ｋ口Ｔ１ｎ（丢）７
（４） 按理想的线性温度响应，Ｖ，应取如下形式
ｙ囊·＝ｙ，。＋丌８ ＶＦｌ（丁一丁。）
（５）
务一一半一鲁ｒ㈤ 而ＶＦｌ等－于丁，温度时的导笋值．由（３）式可得
样品室
｝广匝一一丑一］扣亟乎也固
首先对实验系统进行检查与连接，然后将 样品室埋入盛有冰水混合物的杜瓦瓶中降温， 待温度冷却至Ｏ℃时，调整工作电流Ｊ，为某一 固定值（本次测量设定Ｉ，＝５０弘Ａ），测量得 ｙＦ（０℃）一６７４．３ｍＶ，由“△ｙ调零”使△Ｖ＝０． ３．２△ｙ一丁曲线的测定
PN结正向压降与温度关系的研究和应用
2
Vn1 kT ln T r q
方程（3）就是 PN 结正向压降对于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 I F 常数 ，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中还包含
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（3）式可得
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。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
1、（2）式的证明参阅黄昆，谢德著的半导体物理。
2、r 的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取 r 3．4 。
PN结温度特性测试实验数据示范参考表2005.9
测试条件If=50μA
测试条件If=100μA
T（℃）
32.0 35.4 40.4 45.0 49.6
ΔV（mv）
0 10 20 30 40
【实验原理】
理想的 PN 结的正向电流 I F 和正向压降VF 存在如下近关系式：
IF Is exp(qVF ) kT
（1）
其中 q 为电子电荷； k 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；I S 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有关的系数，可以证明
IF CT r exp( qVg(0) ) kT
Vg 0
VF1
VF1 T
T1
VF1
S
PN结正向压降与温度关系
PN结正向压降与温度关系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0.1℃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。
PN结实验-实验说明
测试仪由恒流源、 基准电压、 显示等部分组成， 原理框图见图 4： 在图 4 中，D 是被测元件 PN 结， R F 为测量 I F 用的取样电阻，开关 K 用于切换测量对象：其中 P1 , P2 用于测量偏置电流 I F ；
P1 , P3 用于测量正向压降值 VF ； P1 , P4 用于测量正向压降增量值 ∆V 。
由（3）式可得
∂VF1 Vg ( 0 ) − VF1 k =− − •r ∂T T1 q
所以
（6）
Vg ( 0 ) − VF1 k • (T − T1) − • r V理想 = VF1 + − T1 q
= Vg ( 0 ) − (Vg ( 0 ) − VF1) •
T k − • (T − T1) • r T1 q
3
FB302 型 PN 结正向压降温度特性实验仪使用说明
一、概 述
PN 结温度传感器相对于其它温度传感器来说，具有灵敏度高、线性好、热响应快、易于实现 集成化等优点。根据半导体理论可知，PN 结的正向压降与其正向电流和温度有关，当正向电流保
持不变时，正向压降只随温度的变化而变化。 从而验证这一原理。 本实验仪是在恒定的正向电流条件下， 测试 PN 结正向压降与温度的关系， 本实验也是集电学、热学为一体的综合性实验，适用于大专院校的普通物理实验和有关专业的基 础实验。
【预习思考题】
1．测 VF(0 ) 或 VF(TR ) 的目的何在？为什么实验要求测 ∆V − T 曲线而不是 VF − T 曲线。 2．测 ∆V − T 为何按 ∆V 的变化读取 T ，而不是按自变量 T 读取 ∆V 。 3．在测量 PN 结正向压降和温度的变化关系时，温度高时 ∆V − T 线性好，还是温度低好？ 4．测量时，为什么温度必须控制在 T = −50°C ~ +150°C 范围内？
PN结正向压降与温度关系的研究
实验12 PN 结正向压降与温度关系的研究随着半导体工艺水平的不断提高和发展,半导体PN 结正向压降随温度升高而降低的特性使PN 结作为测温元件成为可能,过去由于PN 结的参数不稳,它的应用受到了极大限制,进入二十世纪七十年代以来,微电子技术的发展日趋成熟和完善,PN 结作为测温元件受到了广泛的关注。
温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温度系数传感器的阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN 结属于负温度系数的传感器。
这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如铂电阻虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。
相比之下，PN 结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而获得了广泛的应用。
一.实验目的1． 了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN 结F F V I -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。
三．实验原理1．PN 结F F V I -特性的测量由半导体物理学中有关PN 结的研究可以得出PN 结的正向电流F I 与正向电压F V 满足以下关系；F I =s I （expkTeV F-1） ⑴ 式中e 为电子电荷量、k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，s I 为反向饱和电流，它是一个与PN 结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。
由于在常温（300K ）下，kT/q=0.026,而PN 结的正向压降一般为零点几伏,所以exp kTeV F》1,上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有kTeV Is I FF exp= ⑵ 这就是PN 结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN 结的F F V I -关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T 后,就可得到e/k 常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k 。
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。