PN结正向压降与温度关系的研究和应用.docx
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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
FB302型PN结正向压降温度特性实验仪
实
验
讲
义
杭州富阳精科仪春有限公司
(原杭州富阳电表厂)
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均感不便;测温电阻如钳电阻有精度高、线性好的优点,但灵敏度低且价格较贵;而PN结温度传感器则有灵敏度高、线性较好、热响应快和体小轻巧易集成化等优点,所以其应用势必日益广泛。
但是这类温度传感器的工作温度一般为-50〜150t?
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、在恒定正向电流条件下,测绘PN结正向压降随温度变化曲线,并由此确定其灵
敏度被测PW结材料的禁带宽度。
3、学习用PN结测温的方法。
【实验原理】
理想的PN结的正向电流/尸和正向压降匕存在如下近关系式:
其中g为电子电荷;R为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;人为反向饱和电流,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=CTrexp(-^^)
其中C是与结面积、掺杂质浓度等有关的常数,厂也是常数(见附录);临(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
VckT
q[fq
Vf=%(0)-(-111—)Tliirr=V1+
kc
其中Vi=Vg(o)-(—in—yr
kT
Vnl=——lllTr
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。
令匚=常数,则正向压降只随温度而变化,但是在方程(3)中还包含非线性项匕|。
下面来分析一下匕]项所引起的线性误差。
设温度由7;变为T时,正向电压由匕】变为冬,由(3)式可得
W■二%(0)-(匕⑼-仏匚
T1
(4)
按理想的线性温度响应,W应取如下形式
dVn
V理想=+—门)
STv7
(5)
svf
莎
为曲线的斜率,且7;温度时的
dVn
~dT~
等于T温度时的
dVr
~dT
值。
由(3)式可得
8VfiVg(o)—Vrik
~dF~Ti~qr所以u理想二Wi+L%⑼—£/|・(T_7\)
ITiq)
(6)
二匕⑼一(Ug(o)—Wi)
-(T-Ti)r
q
(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
f-诃®+牛(款
(8)
设7;=300K,T=310K,取r=3.4,由(8)式可得△V=0.048mV,而相应的
的改变量约2QmV,相比之下误差甚小。
不过当温度变化范围增大时,岭温度响应的非线性误差将有所递增,这主要由于厂因子所致。
综上所述,在恒流供电条件下,PN结的冬对T的依赖关系取决于线性项%,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,温度范围约一50〜150匕)。
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
还随PN结的材料而异,对于宽带材料(如GaAs.Eg=1.43wV)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,即使在杂质导电和非本征激发温度范围内,其线性度亦随温度的高低而有所不同,这是非线性项匕1引起的,由匕]对T的二阶导数=丄可知,学的
11dT2TdT
变化与匕]成反比,所以Vf-T的线性度在高温端优于低温端,这是PN结温度传感器
的普遍规律。
此外,由(4)式可知,减小0,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、利用对管的两个呢结(将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN结),分别在不同电流IFi、IF2下工作,由此获得两者之差(/F1-IF2)与温度成线性函数关系,即
qIF2
由于晶体管的参数有一定的离散性,实际值与理论值仍存在差距,但由于单个PN结相比其线性度与精度均有所提高,这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体,便构成电路温度传感器。
2、釆用电流函数发生器来消除非线性误差。
由(3)式可知,非线性误差来自丁『项,利用函数发生器,"比例于绝对温度的r次方,则的线性理论误差为4=0。
实验结果与理论值比较一致,其精度可达O.Olt?
。
【实验方法和内容】
1、实验系统检查与连接
(1)取下隔离圆筒的筒套(左手扶筒盖,右手扶筒套逆时针旋转),查待测PN结管和测温元件应分放在铜座的左右两侧圆孔内,其管脚不与容器接触,然后装上筒套。
(2)按图1所示进行连线。
控温电流开关置“关”位置,接上加热电源线和信号传输线,两者连接均为直插式。
在连接信号线时,应先对准插头与插座的凹凸定位标记,再按插头的紧线夹部位,即可插好。
而拆除时,应拉插头的可动外套,决不可鲁莽左右转动,或操作部位不对而硬拉,否则可能拉断引线影响实验。
2、打开电流开关,预热几分钟后,此时测试仪上将显示出室温八,与标准温度
计上的指示值相比较,若不准确调节温度校准旋钮,使测试仪上显示的温度与标准温度
计相同。
记录下起始温度厶O
3、VF(O)或作⑴)的测量和调零
将“测量选择”开关拨到匚,由“/尸调节”使IF=50M,将K拨到作,记下
匕(厶)值,再将K置于由调零”使厶V=0o
本实验的起始温度如需从01开始,则需将隔离圆筒置于冰水混合物中,待显示温度至0E时,再进行上述测量。
4、测定△V-T曲线
开启加热电流(指示灯亮),逐步提高加热电流进行变温实验,并记录对应的AV.T△V和T,至于AU、T的数据测量,每改变\GrnV立即读取一组AU、T值,这样可以减小测量误差。
应该注意:
在整个实验过程中要注意升温速率要慢,且温度不宜过高,最好控制在120匕以内。
5、求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S(mV/r)以T为横坐标,为纵坐标,作AV-T曲线,其斜率就是S。
6、估算被测PN结材料的禁带宽度。
根据(6)式,略去非线性项,可得
3V
匕(宀-#・S・7]
实际计算时将斜率S、温度7;(注意单位为K)及此时的耳]值代入上式即可求得Vg(o),禁带宽度Eg(o)=gVg(o)。
将实验所得的Eg(0)与公认值Eg(o)=L2W比较,求其误差。
7、数据记录
实验起始温度:
Tr=°C;工作电流:
九<
起始温度为Tr时压降:
Vf(Tr)=mV;控温电流:
A
8、改变加热电流重复上述步骤进行测量,并比较两组测量结果
9、改变工作电流0=100“4重复上述(1〜7)步骤进行测量,并比较两组测量结果。
【选做内容】
根据实验原理及结论将该PN结制成温度传感器,使其灵敏度最大,试确定其工作电流及其测量范围,并标定其刻度。
【预习思考题】
1、测耳(。
)或汗你)的目的何在?
为什么实验要求测△V-T曲线而不是作-T曲线。
2、测4V-T为何按AU的变化读取而不是按自变量卩读取AU。
3、在测量PN结正向压降和温度的变化关系时,温度高时AV-T线性好,还是温度低好?
4、测量时,为什么温度必须控制在7=-50〜150匕范围内?
【附录】
1、
(2)式的证明参阅黄昆,谢德著的半导体物理。
2、I•的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系,通常取r=3Ao
PN结温度特性测试实验数据不范参考表2005.9
测试条件If=50uA
测试条件If=100UA
TCC)
AV(mv)
T(K)
TCC)
AV(mv)
T(K)
32.0
0
305.2
40.7
0
313.9
35.4
10
308.6
45.8
10
319
40.4
20
313.6
49.3
20
322.5
45.0
30
318.2
53.7
30
326.9
49.6
40
322.8
5&2
40
331.4
54.2
50
327.4
62.7
50
335.9
5&9
60
332.1
67.3
60
340.5
63.4
70
336.6
71.9
70
345.1
6&0
80
341.2
76.6
80
349.8
72.5
90
345.7
81.2
90
354.4
77.2
100
350.4
85.9
100
359.1
81.7
110
354.9
90.6
110
363.8
8&2
120
359.4
95.3
120
368.5
90.7
130
363.9
100.1
130
373.3
95.2
140
368.4
104.9
140
378.1
99.7
150
372.9
109.6
150
382.8
104.2
160
377.4
114.5
160
387.7
108.9
170
382.1
119.3
170
392.5
113.3
180
386.5
117.7
190
390.9
2.1974x-69.168
AV-T对应曲线测试条件Tr=32.09
2.1611x-86.396
△V・T对应曲线
测试条件Tr=40.7"C卩
FB302型PN结正向压降温度特性实验仪使用说明
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。
本实验仪是在温度恒定的正向电流条件下,测试PN结正向压降与温度的关系,从而验证这一原理。
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。
二、主要技术指标
1、测试恒流源匚:
输出电流0〜1000加,连续可调,细度<l/z4
电流稳定度:
10」+2“4,负载稳定度:
W3
2、加热电流:
0.1〜1A,步进值0.1A,最大负载电压15U
3、温度传感器AD590
测量范围:
218.2〜423.2K(艮卩一55~150t?
)
输出电流:
218.2〜423.2“4(即1网对应于绝对温度1K)
测温精度:
土117
4、正向电流、正向压降和温度的值分别用两组时位LED显示,精度:
0.5%
A隔离圆筒B测试圆铜块C测温元件
D被测PN结E加热器F隔离块
图2加热测试装置
G加热电源插座H信号输出插座
(一)加热测试装置
如图2所示,A为可拆卸的隔离圆筒;B为测试圆筒块,被测PN结和温度传感器AD590均装于其上;加热器E装于铜块中心柱体内,通达热隔离后与外壳固定;引线通过高温导线连至顶部插座H,再由顶部插座用专用导线连至测试仪;G为加热器电源插座,接至测试仪的“5”端。
(二)测试仪
1、加热指示
4、温度较准
7、Vt输出端10>If调节
图3PN结测试仪面板示意图
2、Z\V、Vf、If显不
5、加热电源输出端正
8、AV输出端
11>Z\V调节
3、温度显不
6、测试信号输出端
9、AV>Vf、If选择开关
12、控温电流选择
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:
图4测试仪原理框图
在图4中,£>为被测PN结,Ry为乙的取样电阻,开关K用于选择测量对象和极性变换的作用,其中片、尸2测量IfR'P,测量⑰比、匕测量电压。
恒流源有两组,其中一组提供正向电流厶,电流输出范围为0〜1000“4,可连续调节;另一组用于加热,其控温电流为0.1〜1A,步进值0.1A,可用于选择不同的加热测试温度。
基准电压源也有两组,一组用于补偿被测PN结在0E或室温耳时的正向压降
耳(0)或汗⑴),可通过设置在面板上的"AV调零”电位器实现△V=0,并满足此时若升温4V<0;若降温AV>0,则表明正向压降随温度升高而下降。
另一组基准电压源用于温度转换和校准,因为本实验釆用AD590测温,它的输出电流以1“4/K正比于绝对温度,在1KG电阻上产生lpV/K的输出电压,范围为218.2〜423.2讪/,相应的温度范围为218.2〜423.2K(即-55〜150匕)。
为了方便地显示该温度,设置了一组273.2/V的基准电压,经转换后输出电压变为一55〜150加U,对应于温度一55〜150t?
这样不仅可以用3土位数字电压表显示,而且以匕为单位也符合使用习惯。
上述的乙、耳和△▼,可通过“测量选择”开关来选择测量,由另一量程为±1000/77V的3占位数字电压表显示。
另外,表示补偿PN结正向压降的AV电压和表示温度的岭电压均有输出接口,可供外部测量或记录仪记录使用。
四、使用步骤
1、组装好加热测试装置,注意安装牢靠,螺丝要拧紧。
2、将两端带插头的七芯屏蔽电缆一端接到测试仪的“信号输入”插座,另一端接到加热测试装置顶部的插座,连接时,应先将插头与插座的凹凸定位槽对准,再按插头线夹便可插好。
拆除时,只要拉插头的可动外套部分即可,切勿扭转硬拉,以免断线。
3、打开机箱背后的电源开关,两组数字表即有指示,若发现数字乱跳或溢出,则应检查信号电缆插头是否插好或芯线有无折断、脱焊或检查待测PN结、测温元件连线是否正常。
4、将“测量选择”开关K拨到If,转动“If调节”旋钮,If值可变,将K拨到Vf,调If、Vf可变,再将K拨到AV,转动“AV调零”旋钮,应可使AVuO
5、将“加热电源”用二芯专用线连至加测试装置上的二芯插座,并开启控温电流至0.2A档,加热指示灯即亮,1〜2分钟后,可见温度显示逐渐上升。
至此,仪器运行正常。
可选择不同大小的加热电流来改变温升速率。
6、仪器的温度测量值,出厂时己在0匕(冰水混合物)条件下进行了校准,仪器的“温度校准”不要随意调节,以免温度测量失准。
如发现仪器温度显示存在偏差,可在室温下用分辨率为o.ir的标准温度表作标准,调节“温度校准”使数字温度表显示读数与标准温度表相同。
7、用户如需做0匕实验时,需自备广口杜瓦瓶。
将加热装置置于冰水混合物中,等仪器显示温度为01?
时即可进行实验。
五、注意事项
1、仪器连接线的芯线较细,所以要注意使用,不可用力过猛。
2、加热装置加热较长时间后,隔离圆筒外壳会有一定温升,注意安全使用。
3、仪器应存放于温度为0〜40匕,相对湿度30〜85%的环境中,避免与有腐蚀性的有害物质接触,并防止碰撞、摔倒。
4、用户在符合规定的条件下保管和使用的情况下,本仪器的保修期为12个月,超过保修期,生产厂家仍给用户提供良好的售后服务。
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