实验四 pn结特性测量

实验四 pn结特性测量

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，始终未进入实用阶段。随着半导体工艺水平的提高及人们不断的探索，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，仍是其它温度传感器所不能比的，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，其工作温度一般不超为－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。 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。 三、实验原理

理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系式。

IF?ISexp(qVF/kT) （4.1）

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等有关的系数，可以证明

IS?CTrexp[?qVg(0)/kT] （4.2）

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）；Vg(0)为绝对零度

时PN结材料的导带和价带顶的电势差。

将式（4.2）代入式（4.1），两边取对数可得

kCkTVF?Vg(0)?(ln)T?lnTr?V1?Vn1 （4.3）

qIFq其中

kCV1?Vg(0)?(ln)T

qIFVn1??kT(lnTr) q方程（4.3）就是PN结正向压降作为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IF =常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（4.3）中，除线性项V1外还包含非线性项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，由式（4.3）可得

TkT?T??VF?Vg(0)?[Vg(0)?VF1]?ln? （4.4） ??T1q?T1?按理想的线性温度响应，VF 应取如下形式

rV理想?VF1??VF1(T?T1) （4.5） ?T?VF?VF1等于T1温度时的值。 ?T?T由式（4.3）可得

V(0)?VF1k?VF1 ??g?r （4.6）

?TT1q所以

V理想?VF1?[?Vg(0)?VF1T1?kr](T?T1)qTk?Vg(0)?[Vg(0)?VF1]?r(T?T1)T1q （4.7）

由理想线性温度响应式（4.7）和实际响应式（4.4）相比较，可得实际响应对线性的理

论偏差为

??V理想kkT?T???VF?r(T1?T)?ln? （4.8） ??qq?T1?r设T1=300K，T=310K，取r=3.4*，由式（4.8）可得△=0.048mV，而相应的VF的改变量

为20mV，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时，VF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VF对T的依赖关系取决于线性项V1，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，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）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Vn1引起的，由Vn1对T的二

dVn1d2Vn11?阶导数可知的变化与T成反比，所以VF－T的线性度在高温优于低温端，

dTdT2T这是PN结温度传感器的普遍规律。此外，由式（4.4）可知，减小IF，可以改善线性度，但

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），分别在不同电流IF1、IF2下工作，由此获得两者之差（VF1－VF2）与温度成线性函数关系，即 VF1?VF2?kTIF1 lnqIF2由于晶体管的参数有一定的离散性，实际与理论仍存在差距，但与单个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，便构成集成电路温度传感器。

2. Okira Ohte等人提出的采用电流函数发生器来消除非线性误差。由式（4.3）可知，非线性误差来自Tr项，利用函数发生器，IF比例于绝对温度的r次方，则VF-T的线性理论误差为Δ=0。实验结果与理论值颇为一致，其精度可达0.01℃。 四、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（左手扶筒盖，右手扶筒套逆时针旋转），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，然后放好筒盖内的橡皮O圈，装上筒套。O圈的作用是当样品室在冰水中进行降温时，以防止冰水渗透入室内。

B. 控温电流开关置“关”位置，此时加热指示灯不亮。接上加热电源线和信号传输线。两者连线均为直插式，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，即可插入。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. VF（0）或VF（TR）的测量和调零

将样品室埋入盛有冰水（少量水）的杜瓦瓶中降温，开启测试仪电源（电源开关在机箱后面，电源插座内装保险丝），预热数分钟后，将“测量选择”开关（以下简称K）拨到IF，由“IF调节”使IF=50μA，待温度冷却至0℃时，将K拨到VF，记下VF（0）值，再将K置于ΔV，由“ΔV调零”使ΔV=0。

本实验的起始温度TS亦可直接从室温TR开始，按上述步骤，测量VF（TR）并使ΔV=0。 3. 测量ΔV－T曲线

取走冰瓶，开启加热电源（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的ΔV和T，至于ΔV、T的数据测量，可按ΔV每改变10或15mV立即读取一组ΔV、T，这样可以减小测量误差。应该注意：在整个实验过程中， …… 此处隐藏：4025字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……