温度传感器的温度特性测量实验

温度传感器的温度特性测量实验

【目的要求】

测量PN结温度传感器的温度特性；测试PN结的正向电流与正向电压的关系（指数变化规律）并计算出玻尔兹曼常数。

【实验仪器】

FD-ST-TM温度传感器温度特性实验模块（需配合FD-ST系列传感器测试技术实验仪）含加热系统、恒流源、直流电桥、Pt100铂电阻温度传感器、NTC1K热敏电阻温度传感器、PN结温度传感器、电流型集成温度传感器AD590、电压型集成温度传感器LM35、实验插接线等）。

【实验原理】

“温度”是一个重要的热学物理量，它不仅和我们的生活环境密切相关，在科研及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果至关重要，所以温度传感器应用广泛。温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见下表。

PN结温度传感器

1．测试PN结的Vbe与温度变化的关系，求出灵敏度、斜率及相关系数

PN结温度传感器是利用半导体PN结的结电压对温度依赖性，实现对温度检测的，实验证明在一定的电流通过情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。通常将硅三极管b、c极短路，用b、e

极之间的PN 结作为温度传感器测量温度。硅三极管基极和发射极间正向导通电压Vbe 一般约为600mV （25℃），且与温度成反比。线性良好，温度系数约为-2.3mV/℃,测温精度较高，测温范围可达-50——150℃。缺点是一致性差，互换性差。

通常PN 结组成二极管的电流I 和电压U 满足（1）式

[]

1/-=kT qU S e I I （1）

在常温条件下，且1/〉〉KT

qU e

时，（7）式可近似为

kT qU S e I I /= （2）

（7）、（8）式中:

T 为热力学温度 ； Is 为反向饱和电流；

正向电流保持恒定条件下，PN 结的正向电压U 和温度t 近似满足下列线性关系

U=Kt+Ugo （3）

（3）式中Ugo 为半导体材料参数，K 为PN 结的结电压温度系数。实验测量如下图。图中用恒压源串接51K 电阻使流过PN 结的电流近似恒流源。

2.玻尔兹曼常数测定

PN 结的物理特性是物理学和电子学的重要基础之一。模块通过专用电路来测量研究PN 结扩散电流与结电压的关系，证明此关系遵循指数变化规律，并准确的推导出玻尔兹曼常数（物理学的重要常数之一）。

由半导体物理学可知，PN 结的正向电流——电压关系满足式（1），式（1）中，I 是通过PN 结的正向电流，I S 是不随电压变化的常数（漏电流）。T 是热力学温度。e 是电子的电荷量，U 为PN 结正向压降。由于在常温（300K ）时KT/e ≈0.026V ，而PN 结正向压降约为几百毫伏，则

exp(eU/KT)>>1,

为电子电量，

C q ;10602.119-⨯=为玻尔兹曼常数，K J k /10381.123-⨯=

则式（1）中-1项可忽略，于是有：

kT qU S e I I /=

(2)

即：PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。如测出PN 结I-U 关系值，则利用式（1）可以求出e/KT 。在测得实际温度T 后就可以得到e/K 常数，把电子电荷量代入即可求得玻尔兹曼常数K 。

在实际测量中，二极管的PN 结I-U 关系虽也满足指数关系，但求得的K 往往偏小，这是因为通过二极管电流一般包括三个成分：[1]扩散电流，它严格遵循式（8）；[2]耗尽层复合电流，它正比于exp(eU/2KT);[3]表面电流，它是由Si 和SiO 2界面中杂质引起的。其值正比于exp(eU/mKT),一般m>2。因此为了准确的推导出K ，不宜采用二极管，而采用硅三极管，且接成共基极电路。因为此时三极管C 和B 短接，C 极电流仅仅是扩散电流，复合电流主要在B 极中出现。这样测量E 极电流就能得到满意的结果。 【实验内容】 1．玻尔兹曼常数测定

按实验要求接好电路。为保证改变I-U 值时PN 结温度不变，将PN 结插入干井炉井内并将温度设定控制50℃（±0.1℃），调节电位器改变U 1 （U be ）和U 2（U 0）值，每间隔0.02V 测一点，约测10点左右，至U2值达到饱和时（ U2值变化很小或基本不变）结束测量。

数据记录如下： t = 50℃

曲线拟合：运用最小二乘法将实验数据分别代入线性回归，指数回归，乘幂回归这三种常用的基本函数，然后求出衡量各回归函数的好坏标准差δ。对已测出的U1和U2，多对数据，以U1为自变量，U2作因变量，分别代入（1）线性函数U2=a U1+b ；(2)乘幂函数U2=a U1b

；(3)指数函数U2= exp(b U1)。求出各函数的a 和b 的值，得出三种函数式究竟哪一种符合物理规律必须用标准差来检验。办法为：把实验测

① 得的各个自变量U1分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值U2*

，并由此

求出各函数拟合的标准差： δ= ]/)([

2

*

1n U U i i n

i -∑= （4） 式中n 为测量数据个数，Ui 为实验测得的因变量，Ui*为将自变量代入基本函数后得到的因变量预期

值，最后比较哪一种基本函数的标准差δ最小，说明该函数拟合得最好。

②计算e/K常数，将电子电量作为标准代入式（1），即可求出玻尔兹曼常数，并说明玻尔兹曼分布律的

物理含义。

2.PN结温度传感器温度特性的测试

将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉中心井，PN结温度传感器插入干井炉一个井内。按要求插好连线。从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10℃控温系统设置温度并进行PN结正向导通电压Ube的测量，得到结果如下表

用最小二乘法直线拟合，求出结果。

A= r=