大学物理实验报告23——PN结温度传感器特性1
大学物理实验-温度传感器实验报告
关于温度传感器特性的实验研究摘要：温度传感器在人们的生活中有重要应用，是现代社会必不可少的东西。
本文通过控制变量法，具体研究了三种温度传感器关于温度的特性，发现NTC电阻随温度升高而减小；PTC电阻随温度升高而增大；但两者的线性性都不好。
热电偶的温差电动势关于温度有很好的线性性质。
PN节作为常用的测温元件，线性性质也较好。
本实验还利用PN节测出了波尔兹曼常量和禁带宽度，与标准值符合的较好。
关键词：定标转化拟合数学软件EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE NATURE OF TEMPERATURE SENSOR1.引言温度是一个历史很长的物理量，为了测量它，人们发明了许多方法。
温度传感器通过测温元件将温度转化为电学量进行测量，具有反应时间快、可连续测量等优点，因此有必要对其进行一定的研究。
作者对三类测温元件进行了研究，分别得出了电阻率、电动势、正向压降随温度变化的关系。
2.热电阻的特性2.1实验原理2.1.1Pt100铂电阻的测温原理和其他金属一样，铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性。
利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω（即Pt100）。
铂电阻温度传感器精度高，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器，本实验即采用这种铂电阻作为标准测温器件来定标其他温度传感器的温度特性曲线，为此，首先要对铂电阻本身进行定标。
按IEC751国际标准，铂电阻温度系数TCR定义如下：TCR=(R100-R0)/(R0×100) (1.1)其中R100和R0分别是100℃和0℃时标准电阻值（R100=138.51Ω，R0=100.00Ω），代入上式可得到Pt100的TCR为0.003851。
Pt100铂电阻的阻值随温度变化的计算公式如下：Rt=R0[1+At+B t2+C(t-100)t3] (-200℃<t<0℃) (1.2)式中Rt表示在t℃时的电阻值，系数A、B、C为：A=3.908×10−3℃−1；B=-5.802×10−7℃−2；C=-4.274×10−12℃−4。
PN结温度特性与伏安特性的研究
实验报告
课程名称普通物理实验2 实验项目PN结温度特性与伏安特性的研究专业班级姓名学号
指导教师成绩日期2022年9月11日
图1 PN结温度传感器
实验报告内容：一实验目的二实验仪器（仪器名称、型号）三实验原理（包括文字叙述、公式和原理图）四.实验内容与步骤五、实验原始数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（主要分析实验的误差来源和减小误差的方法，对实验过程和实验结果的评价和对实验方法或实验装置的建议等）八.思考题
也是常数；
,
温度时的
即为灵敏度
这是非线性项可知，
的普遍规律。
此外，由公式可知，减小
就可
图2 二线制电路图
图3 三线制电路图
图5 I F−V F曲线）求玻尔兹曼常数K并计算误差
K=q
T
ln
I F
2
I F
1
(V F
1
−V F
2
)=1.393(10−23J/K)
E=Δ
X ×100%=1.393−1.38
1.38
×100%=0.93%
图6 V F −T 曲线
）计算灵敏度S 和禁带宽度E g (0) 曲线得：
=∆V F ∆T ⁄=−0.0023(V ℃⁄)=−2.3(mV ℃⁄) E g (0)=qV g (0)=1.2026eV
六、实验结果。
温度传感器特性研究--实验报告
沈阳城市学院物理实验报告实验题目温度传感器特性研究姓名学号专业班级实验室号实验成绩指导教师实验时间年月日物理实验室制请认真填写实验原理（注意：原理图、测试公式）一、直流电桥法测Pt100铂电阻温度特性直流电桥的原理图如图，根据直流电桥的基本 原理有：312t R R R R =，因为R1=R2，所以R3=Rt ，Rt 即为铂电阻。
Pt100铂电阻是一种利用铂金属导体电阻随温度变化的特性制成的温度传感器，在0～100℃范围内Rt 的表达式可近似线性为：01(1)t R R A t =+ 。
二、恒流源法测NTC 热敏电阻温度特性恒流源法电路原理图如图，根据串联电路原理11R RtO Rt t U U R I U R ==，Rt 即为热敏电阻。
热敏电阻是利用半导体电阻阻值随温度变化的特性来测量温度的，在一定的温度范围内（小于450℃）热敏电阻的电阻Rt 与温度T 之间有如下关系：)11(00T T B T eR R -=三、PN 结温度传感器特性PN 结温度传感器实验电路如图，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 式中Ugo 为半导体材料参数，K 为PN 结的结电压温度系数。
请认真填写请在两周内完成，交教师批阅附录110115120125130135电阻/Ω温度/℃直流电桥法测Pt100铂电阻的温度特性图100200300400500600700800900电阻/Ω温度/℃电压/m V温度/℃。
PN结的物理特性—实验报告
半导体PN 结的物理特性实验报告姓名：陈晨 学号：12307110123 专业：物理学系 日期：2013年12月16日 一、引言半导体PN 结是电子技术中许多元件的物质基础具有广泛应用，因此半导体PN 结的伏安特性是半导体物理学的重要内容。
本实验利用运算放大器组成电流-电压变换器的方法精确测量弱电流，研究PN 结的正向电流I ，正向电压U ，温度T 之间的关系。
本实验桶过处理实验数据得到经验公式，验证了正向电流与正向电压的指数关系，正向电流与温度的指数关系以及正向电压与温度的线性关系，并由此与计算玻尔兹曼常数k 与0K 时材料的禁带宽度E ，加深了对半导体PN 节的理解。
二、实验原理 1、 PN 结的物理特性（1）PN 结的定义：若将一块半导体晶体一侧掺杂成P 型半导体，即有多余电子的半导体，另一侧掺杂成N 型半导体，即有多余空穴的半导体，则中间二者相连的接触面就称为PN 结。
（2）PN 结的正向伏安特性：根据半导体物理学的理论，一个理想PN 结的正向电流I 与正向电压U 之间存在关系 ①，其中I S 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，e 为电子电量。
在常温（T=300K ）下和实验所取电压U的范围内， 故①可化为 ②，两边取对数可得 。
（3）当温度T 不变时作lnI-U 图像并对其进行线性拟合，得到线性拟合方程的斜率为e/kT ，带入已知常数e 和T ，便得玻尔兹曼常数k 。
2、反向饱和电流I s（1）禁带宽度E ：在固体物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距。
对一个本征半导体而言，其导电性与禁带宽度的大小有关，只有获得足够能量的电子才能从价带被激发，跨过禁带宽度跃迁至导带。
（2）根据半导体物理学的理论，理想PN 结的反向饱和电流Is 可以表示为③，代入②得 ，其中I 0为与结面积和掺杂浓度等有关的常数，γ取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取γ=3.4，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度．E 为0K时材料的禁带宽度。
pn结的特性实验报告
pn结的特性实验报告PN结的特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体和N型半导体组成。
在本次实验中，我们将通过实验来研究PN结的特性，包括正向偏置、反向偏置和截止电压等。
通过实验数据的分析，我们可以更好地理解PN结的工作原理和特性。
实验方法：1. 实验仪器和材料：- P型硅片和N型硅片- 直流电源- 电压表- 电流表- 变阻器- 连接线等2. 实验步骤：1) 将P型硅片和N型硅片连接起来，形成一个PN结。
2) 将正极连接到P型硅片，负极连接到N型硅片，进行正向偏置实验。
3) 测量正向电流和正向电压的关系。
4) 将正极连接到N型硅片，负极连接到P型硅片，进行反向偏置实验。
5) 测量反向电流和反向电压的关系。
6) 根据实验数据分析PN结的特性。
实验结果和分析：1. 正向偏置实验：在正向偏置实验中，我们将电压从0V逐渐增加，并测量相应的电流。
实验数据显示，当电压低于PN结的截止电压时，电流非常小，接近于0。
随着电压的增加，电流迅速增加，符合指数增长的特性。
这是因为在正向偏置下，PN结的载流子被注入并迅速扩散，形成电流。
2. 反向偏置实验：在反向偏置实验中，我们将电压从0V逐渐减小，并测量相应的电流。
实验数据显示，当电压低于PN结的截止电压时，电流非常小，接近于0。
然而，当电压超过截止电压时，电流急剧增加。
这是因为在反向偏置下，PN结的耗尽层宽度增加，电流主要由漏电流组成。
3. 截止电压：通过实验数据的分析，我们可以得到PN结的截止电压。
在正向偏置实验中，当电流开始迅速增加时，我们可以得到PN结的截止电压。
同样，在反向偏置实验中，当电流开始急剧增加时，也可以得到PN结的截止电压。
通过多次实验得到的数据可以取平均值，提高结果的准确性。
结论：通过本次实验，我们成功研究了PN结的特性。
正向偏置下，PN结的电流随电压增加而指数增长；反向偏置下，PN结的电流在低于截止电压时非常小，但在超过截止电压后急剧增加。
PN结温度传感器性能的实验研究-毕业设计
PN结温度传感器性能的实验研究学生XX 指导教师：XX内容摘要：本课题通过实验对不同类型的半导体PN结器件进行正向压降与温度特性的测量，获取实验数据，通过整理、分析、比较、综合实验数据，从中比较各器件灵敏度，线性度的优劣，为合理选用PN结温度传感器提供依据。
主要分析了不同型号的二极管的温度特性，同一种型号的3个二极管的温度特性分析，同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性和同一个二极管多次测量的温度特性，主要测量型号有2CP11，1N4007型二极管，FG314050型发光二极管，2CW117型二极管，2CN2型二极管以及用来作对照实验的S9014型三极管。
关键词：PN结温度传感器线性度Study for PN junction sensor experimental performance of thetemperatureAbstract: It is used to measure forward voltage drop and temperature characteristic of different type's PN semiconductors in order to obtain the data of experiment. By neatening, analyzing, comparing, synthesizing data, it is a comparison of these component about the strengths and weaknesses of response rate and linearity in order to provide for reason of legitimately choosing PN junction temperature transmitter.The experiment analyses temperature characteristic of different model diodes,the temperature characteristic of the same model for three diodes,the temperature characteristic of the same model diode when it is constant current ,and the several measurements of same model diode about the temperature characteristic. And the major types include 2CP11, 1N4007 diodes, 2CW117 diode , 2CN2 diode and S9014 dynatron which are used for controlling experiment.Keywords: PN junction temperature sensor linearity目录前言.............................................................................................. 错误！未定义书签。
【大学物理实验(含 数据+思考题)】PN结正向电压温度特性研究实验报告
PN 结正向电压温度特性研究一、实验目的（1）了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。
（2）在恒流供电条件下，测绘PN 结正向电压随温度变化的关系图线，并由此确定PN 结的测温灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
二、实验仪器PN 结正向特性综合实验仪、DH-SJ5温度传感器实验装置。
三、实验原理1、测量PN 结温度传感器的灵敏度 由半导体理论可知，PN 结的正向电流I F 与正向电压V F 满足以下关系：I F =I n (ⅇqV FkT−1)（1）式（1）中I n 是反向饱和电流，T 是热力学温度，q 是电子的电量。
由于在常温（例如300K ）时，kT/q 约为0.026V ，而PN 结正向电压约为十分之几伏，所以ⅇ^((qV_F)/kT)≫1，故式（1）中括号内的−1项完全可以忽略，于是有： I F =I n ⅇqV F kT（2）其中，I n 是与PN 结材料禁带宽度及温度等有关的系数，满足以下关系：I n =CTγⅇqV g0kT（3）式（3）中C 为与PN 结的结面积、掺杂浓度等有关的常数，k 为玻尔兹曼常数，γ在一定温度范围内也是常数，V g0为热力学温度0K 时PN 结材料的导带底与价带顶的电势差，对于给定的PN 结，V g0是一个定值。
将式（3）代入式（2），两边取对数，整理后可得：V F =V g0−(k q ln C I F )T −kTqln T γ=V 1+V nr （4）其中V 1=V g0−(k q ln CI F)T （5） V n r =−kTqln T γ （6）根据式（4），对于给定的PN 结材料，令PN 结的正向电流I F 恒定不变，则正向电压V F 只随温度变化而变化，由于在温度变化范围不大时，V n r 远小于V 1，故对于给定的PN 结材料，在允许的温度变化范围内，在恒流供电条件下，PN 结的正向电压V F 几乎随温度升高而线性下降，即 V F =V g0−(k q ln CI F)T（7）为了便于实际使用对式（7）进行温标转换，确定正向电压增量∆V [与温度为0℃时的正向电压比较]与用摄氏温度表示的温度之间的关系。
2023年大学物理实验温度传感器实验报告
有关温度传感器特性旳试验研究摘要：温度传感器在人们旳生活中有重要应用，是现代社会必不可少旳东西。
本文通过控制变量法，详细研究了三种温度传感器有关温度旳特性，发现NTC电阻随温度升高而减小；PTC电阻随温度升高而增大；但两者旳线性性都不好。
热电偶旳温差电动势有关温度有很好旳线性性质。
PN节作为常用旳测温元件，线性性质也很好。
本试验还运用PN节测出了波尔兹曼常量和禁带宽度，与原则值符合旳很好。
关键词：定标转化拟合数学软件EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE NATURE OF TEMPERATURE SENSOR1.引言温度是一种历史很长旳物理量，为了测量它，人们发明了许多措施。
温度传感器通过测温元件将温度转化为电学量进行测量，具有反应时间快、可持续测量等长处，因此有必要对其进行一定旳研究。
作者对三类测温元件进行了研究，分别得出了电阻率、电动势、正向压降随温度变化旳关系。
2.热电阻旳特性2.1试验原理2.1.1Pt100铂电阻旳测温原理和其他金属同样，铂(Pt)旳电阻值随温度变化而变化,并且具有很好旳重现性和稳定性。
运用铂旳此种物理特性制成旳传感器称为铂电阻温度传感器，一般使用旳铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω（即Pt100）。
铂电阻温度传感器精度高，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～650℃）最常用旳一种温度检测器，本试验即采用这种铂电阻作为原则测温器件来定标其他温度传感器旳温度特性曲线，为此，首先要对铂电阻自身进行定标。
按IEC751国际原则，铂电阻温度系数TCR定义如下：TCR=(R100-R0)/(R0×100) (1.1)其中R100和R0分别是100℃和0℃时原则电阻值（R100=138.51Ω，R0=100.00Ω），代入上式可得到Pt100旳TCR为0.003851。
Pt100铂电阻旳阻值随温度变化旳计算公式如下：Rt=R0[1+At+B t2+C(t-100)t3] (-200℃<t<0℃) (1.2)式中Rt表达在t℃时旳电阻值，系数A、B、C为：A=3.908×10−3℃−1；B=-5.802×10−7℃−2；C=-4.274×10−12℃−4。
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
大学物理实验：PN结
测试仪外形
电压显示 温度显示 加温输出
加温调节
△v清另
IF调节 IF调节
信号输入
四、实 验 操 作
1、首先检查与连接实验系统，然后调整工作电流IF为某 首先检查与连接实验系统，然后调整工作电流I 一固定值（本实验测量设定I =50µ ），在本实验的起始 一固定值（本实验测量设定IF=50µA），在本实验的起始 温度下测得V ），然后由 然后由“ 调零” V=0。 温度下测得VF（Tm），然后由“∆V调零”使∆V=0。 点 击 播 放
2、∆VT曲线的测定 逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆ 逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆V和T， 在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃， 在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃， 120℃ 记录数据填入数据表。 记录数据填入数据表。 （要求电压每下降-10V，记录一次温度） 要求电压每下降-10V，记录一次温度） 3、求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mv/℃） 求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S mv/℃ PN结正向压降随温度变化的灵敏度 方法是： 方法是：作△V-T曲线，其斜率就是S。最后再通过画曲线 曲线，其斜率就是S 求得。 求得。 T 0
一、实 验 目 的
1、了解PN结测温基本原理和应 了解PN结测温基本原理和应 PN 用 。 2、验证PN结正向压降随温度升 验证PN结正向压降随温度升 PN 高而降低的特性。 高而降低的特性。 3、学会使用PN结温度传感器测 学会使用PN结温度传感器测 PN 试仪。 试仪。
二、实 验 原 理
PN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。 PN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。 结是指 在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N 在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N型导 电区相接触的截面形成了P 电区相接触的截面形成了P-N结 VF 一般来说， 一般来说，对于一个理想 的PN结，其正向电流IF和压降 PN结 其正向电流I VF 存在如下近似关系： 存在如下近似关系： P
PN结正向压降温度特性的研究实验报告
实验题目：PN 结正向压降温度特性的研究 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。
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）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 Fg F V V InT q kT T I c In qkV V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3） 其中这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式。
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）T V F ∂∂1等于T 1温度时的TVF ∂∂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 TLn q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆理想 （8）设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=*,由（8）式可得=，而相应的V F 的改变量约20mV ，相比之下误差甚小。
大学物理-温度传感技术实验报告
大连理工大学大学 物理实 验报告院（系）材料学院专业 ______________ 班级 _________________姓 名 ________________ 学号 _________ 实验台号 _______________________ 实验时间 _______ 年 ______ 月_日，第_周，星期 ________________ 第 _________ 节实验目的与要求：（1） 了解P-N 结和AD590温度传感器的电路结构及工作原理。
（2） 学会测量P-N 结和AD590温度传感器的温度特性。
实验原理和内容:1. P-N 结测温元件工作原理及温度特性测试电路根据半导体物理的理论，流过晶体管P-N 结的电流I 和其两端的电压 V 满足一下指数关系I l o [exp （qV/kT ） 1]式中，q 为电子电量；k 为波尔兹曼常量； T 是结温（用热力学温标），因此晶体管P-N 结伏安特性随温度变化如下图所示：实验名称 ___________ 温度传感技术 ________________教师评语 _______________________________________________________________________________________________________阳 io I P（1） P-N 结伏安特性测试电路。
如图 2所示， 图中所示V i 即为作用在P-N 结两端的电压值，V o 值除以取样电阻 R f （ 1K Q ）后得到流经PN 的电流大小。
⑵P-N 结温度特性测试电路。
即P-N 结电压随温度变化的电压跟随器 电路如图3所示。
当把一个阻值为 R c 的负载电阻与P-N 结串联后， 接至电压值为 V c 的外加电压时， P-N 结的电压随温度的变化情况就可由 P-N 结伏安特性和与R 有关的负载线的交点对应的电压值所确定。
2. AD590集成温度传感器工作原理及温度特性测试电路AD590是一种输出电流与温度成正比的集成温度传感器，其内部电路结构复杂，故此略去根据参考文献推导，在电源电压的作用下，该电路总的工作电流I o 为3kT In 8 q （民 R5）确控制R 5和R 6的阻值， 可使上式转化为式中，K0为测温灵敏度常数，一般为 1 A/C不同温度下 AD590的伏安特性如图5所示，从该图可知， 对于某一确定的温度， 当电源电压大于某一值以后，可使输出电流几乎不变（或变化极其微小）（1） AD590伏安特性、温度-电流特性测试电路如图6所示，在图中将 AD590置于恒温条件下（如冰点或室温），调节电路中“负压调节” 旋钮并测出AD590在不同工作电压下的 V 。
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。
大学物理实验PN结正向压降温度特性的研究实验报告
实验题目: PN 结正向压降温度特性的研究实验目的: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。
实验原理:理想PN 结的正向电流S I 和压降F V 存在如下近似关系)exp(kTqV I I FS F = （1） 其中q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；T 为绝对温度；S I 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 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；)0(g V 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 qKT V T IcIn 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=F I 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1V 外还包含非线性项1n V 项所引起的线性误差。
设温度由1T 变为T 时，正向电压由1F V 变为F V ，由（3）式可得[]rF g g F T T Ln q kT T T V V V V ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=111)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，F V 应取如下形式：)(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5）TV F ∂∂1等于1T 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()[]()rT 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 TLn q kT T T r q k V V )(11+--=-=∆理想 （8）设K T 3001=，K T 310=，取4.3=r ,由（8）式可得mV 048.0=∆，而相应的F V 的改变量约mV 20，相比之下误差甚小。
大学物理实验-温度传感器实验报告
关于温度传感器特性的实验研究摘要：温度传感器在人们的生活中有重要应用，是现代社会必不可少的东西。
本文通过控制变量法，具体研究了三种温度传感器关于温度的特性，发现NTC电阻随温度升高而减小；PTC电阻随温度升高而增大；但两者的线性性都不好。
热电偶的温差电动势关于温度有很好的线性性质。
PN节作为常用的测温元件，线性性质也较好。
本实验还利用PN节测出了波尔兹曼常量和禁带宽度，与标准值符合的较好。
关键词：定标转化拟合数学软件EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE NATURE OF TEMPERATURE SENSOR1.引言温度是一个历史很长的物理量，为了测量它，人们发明了许多方法。
温度传感器通过测温元件将温度转化为电学量进行测量，具有反应时间快、可连续测量等优点，因此有必要对其进行一定的研究。
作者对三类测温元件进行了研究，分别得出了电阻率、电动势、正向压降随温度变化的关系。
2.热电阻的特性2.1实验原理2.1.1Pt100铂电阻的测温原理和其他金属一样，铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性。
利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω（即Pt100）。
铂电阻温度传感器精度高，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器，本实验即采用这种铂电阻作为标准测温器件来定标其他温度传感器的温度特性曲线，为此，首先要对铂电阻本身进行定标。
按IEC751国际标准，铂电阻温度系数TCR定义如下：TCR=(R100-R0)/(R0×100) (1.1)其中R100和R0分别是100℃和0℃时标准电阻值（R100=138.51Ω，R0=100.00Ω），代入上式可得到Pt100的TCR为0.003851。
Pt100铂电阻的阻值随温度变化的计算公式如下：Rt=R0[1+At+B t2+C(t-100)t3] (-200℃<t<0℃) (1.2)式中Rt表示在t℃时的电阻值，系数A、B、C为：A=3.908×10−3℃−1；B=-5.802×10−7℃−2；C=-4.274×10−12℃−4。
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。
大学物理实验报告23——PN结温度传感器特性1
天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[exp(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (2)也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。
若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出/e kT 。
在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。
实验线路如图1所示。
2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。
其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。
运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（fR 称反馈电阻）。
因而有：0(1)i i s ffU U U K I R R -+==(4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为1i f f x sU R R Z I K K ==≈+ (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图1MLF356-+74+15V-15V236ecbV 1V 2100Ω1.5VTIP31TIP31ebc LF35612348765R fI sK o-+U 0U iZ rI s图2 电流－电压变换器i s frU UI Z R ==-(6)只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。
PN结正向压降温度特性的研究实验报告
实验题目：PN 结正向压降温度特性的研究实验目的：1) 了解PN 结正向压降随温度转变的大体关系式。
2) 在恒流供电条件下，测绘PN 结正向压降随温度转变曲线，并由此确信其灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
3) 学习用PN 结测温的方式。
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 结材料的禁带宽度和温度等有关的系数，能够证明 ])0(exp[kTqV CT Is g r-= （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 I cIn q k V V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3） 其中()rn F g InT qKTV T IcIn q k V V -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=11)0(这确实是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式。
令I F =常数，那么正向压降只随温度而转变，可是在方程（3）中，除线性项V 1外还包括非线性项V n1项所引发的线性误差。
设温度由T 1变成T 时，正向电压由V F1变成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） 按理想的线性温度阻碍，VF 应取如下形式： )(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5）T V F ∂∂1等于T 1温度时的TV F∂∂值。
由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=∂∂111)0(（6）因此()[]()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）式相较较，可得实际响应付线性的理论误差为()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 ，相较之下误差甚小。
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天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[exp(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (2)也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。
若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出/e kT 。
在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。
实验线路如图1所示。
2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。
其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。
运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（fR 称反馈电阻）。
因而有：0(1)i i s ffU U U K I R R -+==(4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为1i f f x sU R R Z I K K ==≈+ (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图1MLF356-+74+15V-15V236ecbV 1V 2100Ω1.5VTIP31TIP31ebc LF35612348765R fI sK o-+U 0U iZ rI s图2 电流－电压变换器i s frU UI Z R ==-(6)只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。
3、PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量。
当PN 结通过恒定小电流（通常100I A μ=），由半导体理论可得be U 与T 的近似关系：be go U ST U =+ (7)式中 2.3/o S mV C =-为PN 结温度传感器灵敏度。
由go U 可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go go E qU =。
硅材料的go E 约为1.20eV 。
【实验内容】（一）c be I U -关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（1be U U =）1、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压1U 和相应电压2U 。
1U 的值约从0.30V 至0.50V 范围，每隔0.01V 测一相应电压2U 的数据，至2U 达到饱和(2U 变化较小或基本不变)。
在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度θ，取温度平均值θ-。
2、改变干井恒温器温度，待PN 结与油温一致时，重复测量1U 和2U 的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。
3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数()21exp U a bU =。
求出相应的a 和b 值。
4、玻尔兹曼常数k 。
利用/b e kT =，把电子电量e 作为已知值代入，求出k 并与玻尔兹曼常数公认V 1V 23VR 1R 2R TR 4V 2R图3 图4值（230 1.38110k -=⨯）进行比较。
（二）be U T -关系测定，计算硅材料0K 时近似禁带宽度go E 值。
1、通过调节图3电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流100I A μ=。
同时用电桥测量铂电阻T R 的电阻值，得恒温器的实际温度。
从室温开始每隔5℃－10℃测一组be U 值，记录。
2、曲线拟合求经验公式：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(它们是物理学中最常用的基本函数),然后求出衡量各回归程序好坏的标准差δ。
对已测得的1U 和2U 各对数据，以1U 为自变量，2U 作因变量，分别代入：(1)线性函数21U aU b =+；(2)乘幂函数21b U aU =；（3）指数函数21exp()U a bU =⋅，求出各函数相应的a 和b 值，得出三种函数式，究竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验。
办法是：把实验测得的各个自变量1U 分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值*2U ,并由此求出各函数拟合的标准差：*2221()/n i UU n δ=⎡⎤=-⎣⎦∑用最小二乘法对be U T -关系进行直线拟合，求出PN 结测温灵敏度S 及近似求得温度为0K 时硅材料禁带宽度go E 。
【注意事项】1. 数据处理时，对于扩散电流太小(起始状态)以及扩散电流接近或达到饱和时的数据，在处理数据时应删去，因为这些数据可能偏离公式(2)。
2. 必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录1U 和2U 数据。
3. 本实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。
4. 仪器具有短路自动保护，一般情况集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。
【数据记录】（数据仅供参考）1、c be I U -关系测定。
室温条件下:1θ =25.90℃，2θ =26.10℃，θ-=26.00℃1()U V0.3100.3200.3300.3400.3500.3600.3702()U V 0.073 0.104 0.160 0.230 0.337 0.499 0.7331()U V 0.380 0.390 0.400 0.410 0.420 0.430 0.4402()U V1.094 1.5752.3483.495 5.151 7.528 11.3252、电流I ＝100u A 时，be U T -关系测定。
Ω/T RC 0/θ/T KVU be /103.2 106.0 107.0 109.9 111.5 115.3 119.3 122.9 123.5 126.3 129.3 131.98.0 14.9 17.7 25.0 29.0 38.7 49.0 58.7 60.0 67.0 74.9 81.2281.2 288.1 290.9 298.2 302.2 311.9 322.2 331.9 333.2 340.2 348.1 354.20.644 0.647 0.631 0.615 0.605 0.584 0.563 0.553 0.531 0.519 0.501 0.495【数据处理】1、曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数：根据要求用最小二乘法处理数据，假设PN 结电流和电压的关系满足0exp(/)I I eU kT =,所以先要对公式0exp(/)I I eU kT =进行线性化处理。
由于U 2和I 是线性关系,即I =A*U 2,A 可视为微小电流转换为电压的转换系数。
首先以U 2替换I ，公式变化为A 201exp(/)U I eU kT =两边取对数：201ln ln /U I eU kT =+-lnA, 令： lnU 2=y,U 1=x,ln Io -lnA=,e/Kt=b 上式变化为： y a bx =+根据最小二乘法的计算公式：22)(x x y x xy b xb y a -⋅-=-= ))((2222y y x x y x xy r --⋅-=(P 27页),11i ni x nx ∑==∑==ni ixnx122,1∑==ki i y ky 1,1 ∑==ni xynxy 11列表计算：（双击该表可见计算过程）10.310.0730.31-2.6173-0.811360.0961 6.85023820.320.1040.32-2.26336-0.724280.1024 5.12281830.330.160.33-1.83258-0.604750.1089 3.35835540.340.230.34-1.46968-0.499690.1156 2.15994750.350.3370.35-1.08767-0.380690.1225 1.18303160.360.4990.36-0.69515-0.250250.12960.48323270.370.7330.37-0.31061-0.114930.13690.09647880.38 1.0940.380.0898410.0341390.14440.00807190.39 1.5750.390.4542550.177160.15210.206348100.4 2.3480.40.8535640.3414260.160.728571110.41 3.4950.41 1.2513330.5130470.1681 1.565835120.42 5.1510.42 1.6391910.688460.1764 2.686947130.437.5280.43 2.0186290.8680110.1849 4.074865140.4411.3250.44 2.427013 1.0678860.1936 5.8903910.375-0.110180.0217270.142252.458223b＝38.79688a＝-14.659r＝0.999972平均值n1U 2U x y x y⋅2x 2y由此可知，相关系数r=0.99972,指数拟合的很好，也就说明PN 结扩散电流-电压关系遵循指 数分布规律。
计算玻尔兹曼常数，由表中数据得4/38.79(273.1526.00) 1.16010/e k bT C K J ==⨯+=⨯则：19-2341.602101.3810/ / 1.16010e k J K e k-⨯===⨯⨯测2、求PN 结温度传感器的灵敏度S ，0K 时硅材料禁带宽度go E 。
用作图法对be U T -数据进行处理：（图省略）所画的直线的斜率，即PN 结作为温度传感器时的灵敏度 2.30/s m V K =-，表明PN 结是负温度系数的。
截距 1.30go U V =（0K 温度）； 则 1.30go E eU ==电子伏特。