PN结正向压降温度特性

使用说明

QS-J 型PN 结正向压降温度特性实验组合仪是了解集成电路温度传感器工作原理的关键物理实验，也是集电学和热学为一体的一个综合实验仪器，适用与大专院校普通物理实验和有关专业的基础实验。

仪器设计合理、性能优异、读数直观、安全可靠，全套设备由测试仪和样品室两个部分组成。

一．主要技术指标

1．样管工作电流：0-1000µA，连续可调，分辨率为1µA，负载稳定度优于310 。 2．温度传感器的测量误差不大于0.5℃。

3．电流、电压和温度的测量分别采用两组31/2为LED 显示，精度不低于0.5%。 4．加热电流：0.1-1A ，分十档，逐档递增或减0.1A ，最大输出负载电压15V 。

二．使用说明

1．按实物照片组装样品架。

2．将两端带插头的四芯屏蔽电缆一端插入测试仪的“信号输入”插座，另一端插入样品室顶部插座。连接时，应先将插头的凹凸定位部位对准，再按插头的紧线夹部位，边可插入；在拆除时，只要拉插头的可动外套部位即可，切勿扭转或硬拉，以免断线。打开电源开关（在机箱背后），两组显示器即有指示，如发现数字乱跳或溢出（即首位显示“1”，后三位不显示），应查信号耦合电缆插头是否插好或电缆芯线有否拆断或脱焊和查待测PN 结和测温元件管脚是否与容器短路或引线脱落。

3．将“测量选择”开关（以下简称K ）拨到I F 转动“I F 调节”旋扭，I F 值可变，将K 拨到V F ，调I F ，V F 亦变，再将K 拨到△V ，转动“△V 调零”旋扭，可使△V =0，说明仪器以上功能正常。

4．将两端带“手枪式”插头导线分别插入测试仪的加热电源输出孔和样品室的对应输入孔，开启控温电流开关（置0.2A 档）加热指示灯即亮，1-2分钟后，即可显示出温度上升。至此，仪器运行正常。

5．仪器的温标设定，在出长厂之前已在0℃（冰、水混合）条件进行严格校准，如有偏差可根据室温（分辨率为0.1℃温标）实现复校。

实验指导：

PN 结正向压降与温度关系的研究和应用

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特点，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、热响应快和体小轻巧等特点，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，乃是其它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/℃，分辨率不低于0.1℃的硅集成电路温度传感器也已经问世。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。

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．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 I I F

S F = （1） 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有关的系数，可以证明

()

)0exp(KT

qV CT I g r S -= （2）

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

将（2）式代入（1），两边取对数可得

1)()0(n I r F g F V V InT q kT

T I c In q k V V +=--= （3）

其中

T I c

In q

k V V F

g I )()0(-= )(1r n InT q

kT

V -

= 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 I 外还包含非线性项V 1n 。下面来分析以一下V 1n 所引起的线性误差。

设温度由T 1变为T 时，正向电压由V 1F 变为V F ，由（3）式可得

[]

r F g g F T T

In q kT T T V V V V )()0()0(1

11---= （4）

按理想的线性温度响应，VF 应取如下形式

V 理想=V 1F +T

V

F ∂∂1（T- T 1） （5）

T

V F ∂∂1等于T 1温度时的T V

F ∂∂值。

由（3）式可得

T

V F ∂∂1=()11T V O V F g --r q K （6）

所以

V 理想= V 1F +()11

1

T T r q

K T V V F g -⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡-

--

=()()[

]()r T T q K

T T V O V O V F g g 111---- （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 T T In q KT T T r q K V V F ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+-=

-=∆11理想 （8） 设T 1=3000k ，T=3100k ，取r=3.4*，由（8）式可得△=0.048mV ，而相应的V F 的改变量约为20mV ，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时，V F 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V F 对T 的依赖关系取决于线性项V 1，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，V F -T 关系将产生新的非线性，这一现象说明V F -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，