毕业设计（论文）-二极管的温度特性及应用实例研究.doc

编号091002303 毕业论文 （2013届本科）题 目： 二极管的温度特性及应用实例研究学 院： 物 理 与 机 电 工 程 学 院 专 业： 物 理 学 作者姓名： 陈 立 娟 指导教师： 南 雅 公 职称： 副 教 授 完成日期： 2013 年 5 月 23 日二 0 一 三 年 五 月河西学院本科生毕业论 文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的 本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 二一三年五月二十日河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告论文题目二极管的温度特性及应用实例研究学生姓名陈立娟所属学院物理与机电工程学院专业物理学年级09级指导教师南雅公所在单位河西学院职称副教授开题日期2012.12.15 选题的根据：选题的理论、实际意义并综述有关本选题的研究动态和自己的见解本论文着眼于二极管的温度特性及应用实例研究，重点探讨温度对二极管正反向特性的影响，设计出一个简易温度调节器(传感器)电路。该调节器，用于液氮气流式恒温器中77-300K范围的温度调节控制，它是通过给集成运算放大器uA741加电压Ur和Ux作为参考电压的，设定的温度也由Ur给定，Ux随温敏二极管的温度变化而变化。uA741的输出按差分电压的变化而变化，并驱动由晶体管构成的电流控制器，控制加热器加热。经过分析，本人认为理解和把握简易温度调节器的内部组成、工作流程是关键；弄清楚集成运算放大器在电路中的作用是突破口；而借助multism仿真平台来模拟电路的工作过程和输出波形，是实现上述设计目的有力保障。通过本设计工作，以加深对简易温度调节器的工作特征及优越性的更深层次的理解，为以后从事相关方面的进一步学习和研发打下一个坚实基础和知识与技术储备，所以，该工作具有很重要的理论和现实意义。论文的主要内容、基本要求及其主要的研究方法：本论文主要着眼于对二极管的温度特性进行研究并对其进行应用。在查阅大量文献的基础上，率先进行简易温度调节器电路的理论分析和设计。借用数字模拟平台multism对整体电路进行仿真，结果表明有些指标还存在一定的问题，但基本达到设计要求，具有可行性。并以此为基础进行实际电路的搭建、调试和测试。论文进度安排和采取的主要措施：2012.11.52012.12.15 开题准备：对二极管知识的系统学习和有关资料的研究；2012.12.15 开题；2012.12.162013.01.21 搜集整理资料；2013.01.222013.03.10 电路设计及利用multism软件仿真；2013.03.112013.04.01 搭建、焊接实物电路；2013.04.022013.05.25 整机调试及测试，撰写论文的理论部分。主要参考资料和文献1童诗白模拟电子技术基础（第三版）M北京高等教育出版社,20032周淑阁,付文红,硕力更模拟电子基础M高等教育出版社.20043刘杰PN结物理特性研究中的问题及处理J北京电力高等专科学校学报.2009,(11) 4王治昆,于旭东PN结传感原理线性化分析J河北建筑科技学院学报（自然科学版）,2005,(3):111-1125徐兵PN结正向压降温度特性实验的几点改进措施J计量与测试技术,2011,(2):48-49 6胡险峰,朱世国PN结正向伏安特性曲线随温度的变化J物理实验,2003,23(10):6-97林钢常用电子元器件M机械工业出版社,20048杨栈云,李世文,王俊惠电子器件从原理分析到故障检修及系统应用M科学出版社,20079苏中,李擎基于仿真技术的加速度计标度因数温度补偿J电子测量与仪器学报,2004,18(4):25-2810刘笃仁,韩保君,刘勒传感器原理及应用技术（第二版）M西安电子科技大学出版社,2011指导教师意见：签 名： （亲笔签名）年 月 日教研室意见 负责人签名：年 月 日学 院 意 见 负责人签名：年 月 日目 录二极管的温度特性及应用实例研究10引言21半导体材料的基本情况31.1 本征半导体31.2 掺杂半导体41.2.1 N型半导体41.3 PN结62二极管的特性62.1 正向特性62.2 反向特性72.3 二极管的击穿问题92.3.1 电击穿92.3.2 热击穿103温度的影响103.1温度对二极管反向特性的影响103.2温度对二极管正向特性的影响114应用114.1 温敏二极管及其应用114.1.1 工作情况简介114.2 几个关键性指标124.3 电路的实现144.3.1 电路的搭建144.3.2 电路的仿真154.3.3 电路的调试165结论17参考文献：18致 谢18文献综述19河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表24河西学院本科生毕业论文（设计）任务书25河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表27河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表28河西学院本科生毕业论文（设计）答辩记录表29二极管的温度特性及应用实例研究摘要:二极管作为最基本的电子器件，是电子技术特别是集成电路、计算机等发展的基础，在当今工业生产中扮演着不可替代的角色。在影响二极管的诸多因素中，温度对其的影响是不容忽视的。当温度变化时，二极管的特性将会产生一系列的变化，所以研究并利用二极管的温度特性具有十分重要的意义。本文立足于半导体材料和器件的发展状况，以二极管的基本结构、工作原理为基础，重点研究了二极管的温度特性，并尝试设计了一种新型的简易温度调节器（传感器）。它以温敏二极管为核心器件，在性能上具有高灵敏度，低功耗，低工作电流和良好线性等特点。通过运用multism仿真软件，对整体电路及其关键性指标进行了模拟和优化设计，并搭建实现了实物电路。关键词:PN结；二极管；温度特性；简易温度调节器Abstract:Diodes, as the most fundamental electronic devices, already become the basis of the developing electronic technology, especially integrated circuit, computer, communication,etc. and play an irreplaceable role in industrial production and life now. There are many factors like temperature , which is affecting the normal working of devices, and its impact on the devices can not be ignored. With the changing of temperature, a series of changes of diodes characteristics will appear.Therefore, its ery vital significant to study the properties of diodes temperature for utilization. Based on development of semiconductor materials and devices, focusing on the temperature characteristics of the diodes, this article tries to consider and design a new type of simple temperature regulator (sensor ) after the basic structure and principle of devices understood. Owned high sensitivity, low power consumption, low operating current and good linearity characteristics, it uses thermal-sensitive diode as the core component.The overall circuit and its key indicators were simulated and optimized by using multism simulation software. And with the assembling, welding and debugging, a physical circuit is finished in the end. Key words:PN junction; diode; temperature characteristics;simple thermostat 0引言二极管是最常用的电子元件之一，它最大的特性就是单向导电性，也就是当外加正向偏置电压下电流只可以从二极管的一个方向流过，二极管可以应用于整流电路、检波电路、稳压电路、各种调制电路，其原理都很简单，正是由于二极管等元件的发明，才有我们现在丰富多彩的电子信息世界的诞生。二极管又称晶体二极管，简称二极管(diode)，另外，还有早期的真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结，外加两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。一般来讲，晶体二极管是一个由P型半导体和N型半导体烧结形成的PN结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于PN 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。PN结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。自60年代以来，随着半导体技术和测量技术的飞速发展，人们发现在电流一定的情况下，PN结的正向电压和温度之间呈现相当好的线性关系。根据这一关系，可以利用二极管进行温度检测，并且相继研制出了专用的砷化镓和硅敏二极管，现已广泛用于-50+150范围内的稳定测量。硅温敏二极管是一种体积小、测温准确、便于集成化和多功能化的新型温度传感器，因而得到广泛的应用，它满足测温的特殊要求:对温度有较高的灵敏度;正向电压Vf与温度T之间具有良好的线性关系。在本文中讨论了二极管的一些基本性质，也讨论了利用PN结正向电压温度特性工作的温敏二极管的基本工作原理，特性以及应用。1半导体材料的基本情况二极管是一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结。半导体有本征半导体和杂质半导体之分，而应用更为广泛的是杂质半导体。杂质半导体是掺入了高价或低价杂质元素的半导体，相对于本征半导体，其导电性大大改善。根据掺入杂质性质的不同可分为两种：电子型半导体和空穴型半导体。导电载流子以电子为主的半导体成为电子型半导体（即N型半导体），导电载流子以空穴为主的半导体称为空穴型半导体（即P型半导体）。1.1 本征半导体本征半导体是纯净的半导体单晶。所谓单晶就是在一块半导体内原子按晶格排列得非常整齐。硅或锗的单晶在绝对零度时，即T=0K时，硅和锗的每个原子都以共价键的形式和它周围的原子结合并相互作用。当温度升高时，有些原子中的价电子获得足够的能量，可以克服共价键的束缚，跑到晶格中，成为可以在晶格中自由运动的自由电子，而在原共价键中出现了一个空位置，成为空穴。因此，只要产生一个自由电子，必然对应着一个空穴，即电子和空穴成对出现，称为电子空穴对。温度越高，产生的电子空穴对就越多，这种产生电子空穴对的过程，称为本征激发。当温度高于绝对零度时，本征半导体中都存在着由本征激发而产生的电子和空穴。自由电子可以在晶格中运动，它是带负电的粒子，因此它的运动可以产生电流。空穴也可以运动，如果其他共价键中的电子移动到某一空穴所在的共价键中，填补了空位，这样就相当于空穴移动了位置。空穴的运动方向和共价键中电子运动的方向相反，因此可以把空穴看作是一种带正电的粒子。空穴的运动也可以产生电流，电流的方向和空穴的运动方向相同。因此把自由电子和空穴都称为载流子。本征激发的实质是：当温度升高时，价电子获得足够的能量，从能量较低的价带跃迁到能量较高的导带能级上去。当价电子得到大于带隙能量Eg的能量之后，可以克服共价键的束缚，从价带跳到导带而成为自由电子。自由电子的运动实际上是电子在导带中的运动，而空穴的运动是价带中的电子填补空位而形成了空穴的运动，也就是说空穴是在价带中运动的。半导体材料的带隙能量是在1eV(1eV是一个电子由于1V的电场加速而产生的能量，1eV=1.610-19J)左右，绝缘材料的带隙能量Eg在36eV，而绝大多数导体的价带和导带重合，即没有禁带存在，因此这三种物质的导电能力不同。在本征半导体中，与本征激发同时存在的一种现象称为复合。复合是指导带上的电子放出能量又跳回价带中而填补价带中的空穴的过程。当电子和空穴发生复合时，一对电子空穴对就消失了。显然激发过程使电子空穴对增加，而复合又是电子空穴对减少。当温度一定时，激发和复合达到动态平衡。即温度一定时，本征半导体内的电子浓度和空穴浓度相等，而且是一个定值。通常用单位体积内载流子数量来表示本征半导体材料内的载流子的多少，称为本征载流子浓度。本征载流子浓度可以用下面的公式表示： Ni=Pi (1.1)式中Ni表示本征半导体中电子的浓度；Pi表示本征半导体中空穴的浓度；A是和半导体材料有关的常数，硅材料为3.881016cm3K-3/2 锗材料为1.761016cm3K-3/2 ；Eg0为0K时半导体材料的带隙能量，硅材料的Eg0为1.207eV，锗材料的；Eg0为0.785eV;T为热力学温度；K为波尔兹曼常数。由上式可知，本征载流子浓度和温度有关，温度升高，本征载流子浓度就增加，当温度一定时，对固定的一块半导体材料，本征载流子浓度是一定的。1.2 掺杂半导体 1.2.1 N型半导体N型半导体的形成是在本征半导体中掺入杂质，如掺入少量的5价元素磷，砷，或锑等。若在锗晶体中掺入少量的砷原子，如图（1-1）所示，掺入的砷原子取代了某些锗原子的位置。砷原子有5个价电子，其中有4个与相邻的锗原子结合形成共价键，余下的一个不在共价键内，砷原子对它的束缚力较弱，因此只需得到极小的外界能量，这个电子就可以挣脱砷原子的束缚而成为自由电子。所以在室温下，几乎所有的杂质都已电离释放出自由电子。失去一个价电子的杂质原子成为一个正离子，这个正离子固定在晶格结构中，不能移动，它不参与导电。由于砷原子很容易贡献出一个自由电子，所以像砷这样的杂质成为“施主杂质”，这种杂质半导体以自由电子导电为主，自由电子是多数载流子（即多子），而空穴是少数载流子（及少子）。1.2.2 P型半导体P型半导体的形成是在本征半导体中掺入杂质，如3价元素硼，铝，或铟等。若在锗晶体中掺入少量的硼原子，如图（1-2）所示，掺入的硼原子取代了某些锗原子的位置。硼原子有3个价电子，当它与相邻的锗原子组成共价键时，缺少一个电子，产生一个空位，相邻共价键内的电子，只需得到极小的外界能量，就可以挣脱共价键的束缚而填补到这个空位上去，从而产生一个可导电的空穴。由于3价杂质的原子很容易接受价电子，所以称这种物质为“受主杂质”。这种杂质半导体以空穴导电为主，空穴是多数载流子（即多子），而自由电子是少数载流子（即少子）。+44+4价电子空位+4+3+4受主杂质+4+4+4 图（1 -1） N型半导体施主杂质的电离示意图+4+4+4价电子+4+5+4自由电子+4+4+4 图（1-2） P型半导体受主杂质的电离示意图1.3 PN结PN结的形成是由同一块半导体一端掺入施主杂质，成为N型半导体，另一端掺入受主杂质，成为P型半导体，这两种杂质半导体紧密的接触在一起，在接触处保持晶格的连续性，在接触面便形成了一个PN结。PN结的势垒，在室温下，每一个受主杂质产生一个空穴，同时形成一个负离子；而每一个施主杂质将产生一个自由电子，同时形成一个正离子。在PN结中P区空穴密度高于N区，空穴将越过交界面由P区像N区移动（即扩散），空穴由P区扩散到N区后，便会被复合。同理，电子将越过分界面自N区像P区扩散，而在N区留下不能移动的正离子，电子进入P区也很快被复合。这样，在分界面两边，形成正负离子区，在这个区域的载流子因扩散和复合而几乎消耗殆尽（即消耗区）。分界面两边的正负电荷必然存在电场，方向由N区指向P区。这一电场将阻止空穴和电子扩散，正负电荷存在的区域即为势垒区。势垒区两侧半导体的少子进入势垒区时，势垒区的电场使这些少子做定向移动，使P区的电子进入N区，使N区的空穴进入P区。这种在电场作用下少子的定向运动称为漂移。势垒区的载流子，存在两种方向相反的运动，即扩散和漂移。在无外加电压的情况下，两种运动所形成的电流大小相等，方向相反，PN结中建立起动态平衡。PN结的内建电压随温度升高而减小，通常情况下，温度升高10C，内建电压要减少2-2.5mV。这里需要指出的是温度不能太高，如果温度过高，本征载流子浓度大大增加，当本征载流子浓度超过掺杂浓度时，不管是原来的P型区还是N型区，都表现出本征半导体的特性，此时PN结也就不存在了。一般硅PN结，正常工作时，温度要低于1500C，而锗PN结要低于800C。2二极管的特性2.1 正向特性PN结加正向偏置时，由于外加电压与PN结的内建电场方向相反，从而使内建电场消弱，这就打破了原有的平衡状态，使P区和N区的多子向空间电荷区移动。一旦进入空间电荷区势必中和一部分正离子和负离子使空间电荷量减少，空间电荷区（即耗尽层）宽度变窄（由W变为W），势垒电压也有原来的变为，如图（2-1）所示。由于势垒的下降，使扩散得以进行，于是有较多的电子不断地从N区扩散到P区，较多的空穴不断的从P区扩散到N区。扩散的载流子越过PN结结面后，成为非平衡少子，它们在中性区将边扩散边复合，使非平衡少子的浓度不断降低，直到热平衡，形成了中性区非平衡少子的稳定分布。PN结在正向电压作用下，电子从电源负极源源不断的进入N区，到达势垒区的边界，由于扩散，越过PN界面进入P区并不断向内扩散，同时与P区的空穴复合，因复合减少的空穴靠外界电源的正极不断提供正电荷而得到补充，空穴的扩散运动同上述过程类似。电子、空穴不断连续的运动便形成了电流，其方向有P区指向N区。因为它是在PN结下形成的，所以称为正向电流，由半导体器件原理可以推出，PN结在正向电压U作用下产生的正向电流I为 (2.1)其中 (2.2)式中，S为PN结面积;DN为电子扩散系数；DP为空穴扩散系数；LN为电子的平均扩散长度；LP为空穴的平均扩散长度；NP0为P区热平衡时少子浓度；PN0为N区热平衡时少子浓度。WWX1X2NP+U+正向特性是指二极管作用正向电压的伏安特性曲线，当正向电压较小时，正向电流几乎为零，称为死区。当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个数值的电压称为门槛电压即死区电压，记为Vth。小功率硅管的Vth约为0.5V,小功率锗管的Vth约为0.1V，当正向电压高于门槛电压后，电流随电压基本上按指数规律增长，成为二极管的导通区，当正向电流达到一个较大数值后，二极管的正向电压变化很小，处于导通状态，对应的电压成为导通电压，记为Von。小功率硅管的Von约为0.6-0.8V，图（2-1）PN结正向偏置时耗尽层的变化为叙述方便，通常取固定值0.7V；小功率锗管的Von约为0.2-0.3V，为叙述方便，通常取固定值0.2V。2.2 反向特性当PN结的P区引出端接电源的负极，N区引出端接电源的正极，即PN结加反向电压（反向偏置）时，外加电压产生的电场与PN结的内电场方向相同，加强了内电场打破了原有的平衡状态，使靠近PN结的P区空穴向左移，靠近PN结的N区电子向右移，从而使空间电荷区加宽，势垒电压也由原来的变为，如图（2-2）所示。 U+UWWX1X2NP+ 图(2-2) PN结反向偏置时耗尽层的变化由于势垒的提高，使得多子的扩散运动很难进行，扩散电流为零，但由于内建电场的增加，使P区和N区中的少子漂移运动成为主要的。在强电场作用下，P区的少子电子一旦到达空间电荷区的边界，就全部被扫向N区；同样N区的少子空穴一旦到达空间电荷区的边界也全部被扫向P区。所以，PN结空间电荷区的边缘少子浓度趋于零。在反向电压的作用下，越过界面的少子，通过回路形成反向电流，因为少子的浓度很低，所以反向电流很小，可以推得反向电流Ir与反向电压的关系为： （2.3）随着反向电压的增加，反向电流开始少有增加，当反向电压大于0.1V时，1，式（2.3）可以写成： - （2.4）方向电流Ir近似为常数，不再随反向电压变化而变化，称IS为方向饱和电流。反向饱和电流IS与半导体的材料、掺杂浓度及工作温度有关。一般硅PN结的IS为10-15-10-10A;锗PN结的IS为10-10-10-7A；砷化镓PN结的IS为10-17-10-15A。由以上分析可知，PN结加正向电压和方向电压时的伏安特性均可用（2.3）式表示。正向电压时U为正值，反向电压时U为负值。正向电压从零开始增大时，正向电流增加较缓慢；当正向电压增大到一定值时，正向电流按指数规律增大，这时PN结具有良好的导电性，电压Ur称为导通电压。反向电压从零开始增大时，反向电流随反向电压增加而增加，但当反向电压大于0.1V后，反向电流约等于Is，不再随电压变化。在反向电压作用下，向电流很小，PN结的导电性能极差，可近似认为PN结不导电，这表明PN结具有单向导电性。在此需要指出的是：上述PN结的伏安特性是在理想情况下推导出来的，因而具有一定的局限性。在正向电流较小，在反向电压不大时，实际PN结的伏安特性与理想PN结的伏安特性相近，超出此范围，就会出现较大的误差。2.3 二极管的击穿问题当PN结的外加反向电压超过某一数值UB时，反向电流会突然猛增，而PN结两端的电压几乎不变，把这种现象称为PN 结的反向击穿，UB称为反向击穿电压。PN结的反向击穿现象可以分为以下两种情况。2.3.1 电击穿按PN结反向击穿的机理，电击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿。a 雪崩击穿随着反向电压的提高，空间电荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量液随之增加。当反向电压接近击穿电压UB时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其他的中性原子使之电离，再产生更多的电子空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿，所以把这种击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低，外加反向电压又较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较低的PN结，空间电荷区宽度较宽，发生碰撞电离的机会较多。b 齐纳击穿齐纳击穿的物理过程与雪崩击穿不同。当反向电压增大到一定值时，势垒区内就能建立起很强的电场，它能够直接将束缚在共价键中的价电子拉出来，使势垒区产生大量的电子空穴对，形成较大的反向电流，产生击穿。把这种在强电场作用下，使势垒区中原子直接激发的击穿现象称为齐纳击穿。齐纳击穿一般发生在在掺杂浓度较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较高的PN结，空间电荷区的电荷密度很大，宽度较窄，不需要加很大的反向电压，就能建立起很强的电场，发生齐纳击穿。一般来说，击穿电压小于6V时所发生的击穿为齐纳击穿，击穿电压高于6V时所发生的击穿为雪崩击穿。2.3.2 热击穿上述的电击穿过程是可逆的，也就是说当PN结击穿时，只要PN结的反向电流限制在一定的范围内，使消耗在PN结上的功率未超出最大允许值，PN结未被烧毁，那么反向电压减小后，PN结仍可恢复成原来的正常状态。但是，如果反向电压和反向电流过大，使消耗在PN结上的功率超出了最大允许值，就将因PN结结温过高，导致PN结被烧毁，我们称它为热击穿。热击穿将导致PN结的永久性损坏，所以在工程上一定要避免出现。常用的方法是限制PN结上的功耗或通过加散热片，强制风等手段，及时地把PN结上的热量散发出去。3温度的影响当工作温度变化时将会使二极管的特性产生一系列的变化，温度对二极管的影响如图(3-1)所示。下面分别讨论一下温度对二极管正反向特性的影响。图(3-1)温度对二极管伏安特性的影响在晶体管电路中，晶体管的偏置电流一旦确定，那么该电路中晶体管的工作点也就随之确定，PN结厚度和它的结电容大小也就随之确定，不管是线性区还是饱和区，它都是固定的，工作点是不会发生改变的。在一个固定的电路中，影响晶体管工作点的主要因素是晶体管的PN结厚度和结电容的大小的变化，但是随着温度的变化，晶体管PN结厚度和它的结电容大小会随温度的变化而变化，因此，总的来说，影响其工作点发生变化的主要因素是温度。3.1温度对二极管反向特性的影响当温度升高时，热激发产生的载流子增加，使反向饱和电流IS增加。理论上IS随温度的变化对硅管而言是8%/0C，锗管是10%/0C，工程上通常无论是硅管还是锗管，都近似认为是温度每增加100C，反向饱和电流IS增加一倍。即： (3.1)3.2温度对二极管正向特性的影响当外加电压一定时，虽然 随着温度的增加而略有减小，但远没有IS随温度增加的程度大，所以二极管正向电流要增大。若维持电流不变，则随着温度的增加，其正向电压必然要减小。通常温度每升高一摄氏度，二极管的正向电压大约减少2-2.5mV。即： -(22.5)mV/0C (3.2)通过以上讨论可知，温度的变化影响二极管特性，甚至会影响电路工作的稳定性。因此，电路设计时因考虑温度对二极管特性的影响。4应用众所周知，半导体材料和器件的许多性能参数，如电阻率、PN结的反向漏电流和正向电压等，都与温度有密切的关系。在一般应用电路中，半导体材料和器件性能的这种对温度的依赖是一种缺陷，因为它会导致电路工作不稳定，所以总是尽量设法克服和避免。然而与此相反，半导体温敏器件正是利用半导体材料和器件的某些性能参数的温度依赖性，实现了对温度的检测、控制或补偿等功能。根据工作机理，半导体温敏器件可分为电阻型和PN结型两大类，它们分别以半导体材料的电阻率和PN结特性对温度的依赖关系作为其工作基础。本文重点讨论并搭建了PN结型半导体测温传感器。4.1 温敏二极管及其应用随着半导体技术和测温技术的发展，人们发现在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度之间的关系表现出良好的线性。根据这一关系，可以利用二极管进行温度检测。专用的砷化镓和硅温敏二极管，现已广泛用于1-400K范围的温度测量。由于砷化镓温敏二极管的磁灵敏度低，因此常常用于强磁场下的低温测量。硅温敏二极管的磁灵敏度虽比砷化镓温敏二极管高，但由于它的工艺成熟，成本低，且在低温下有较高的灵敏度，因此，是目前产量和用量最大的一种温敏二极管。现在讨论利用PN结正向电压温度特性工作的温敏二极管的基本工作原理、特性和应用。4.1.1 工作情况简介由PN结理论可知，对于理想二极管，只要UF大于几个Tk0/q，其正向电流IF与正向电压UF和温度T之间的关系就可表示为（4.1）式中:指饱和电流；B=AB指与温度无关并包含结面积A的常数；r指与迁移率有关的常数（，而可通过求得，DN是电子扩散系数 是非平衡电子寿命）；T是指绝对温度，其单位为K;Eg0是指温度为0K时材料的禁带宽度，其单位为eV;K0是指波尔兹曼常数；q是指电子的电荷量，q=1.610-19C 对式（4.1），两端取对数可得作为温度和电流函数的正向电压，即: (4.2)式中：Ug0=Eg0/q式(4.2)给出了二极管的正向电压UF与温度T之间的关系。在一定的电流下，随着温度的升高，正向电压下降，表现出负的温度系数。温度传感器总是从某一温度起开始工作。如果在某已知的温度（如室温）T1下，工作电流为IF1那么，相应的正向电压UF1应满足式（4.2），即 (4.3)由式（4.2）减去式（4.3），整理得 (4.4)式（4.4）是理想二极管的正向电压与温度之间关系的另一种表达方式。由半导体理论可知，对于实际的二极管来说，只要它们工作在PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略，而又未发生大注入效应的电压和温度的范围内，它们的特性就与理想模型相符。因此式（4.1），式4.2）和式（4.4）就可用来描述它们的电流-电压及温度特性。研究表明，对于锗和硅二极管，在相当宽的一个温度范围内，其正向电压与温度之间的关系符合式（4.3）和式（4.4）。所以，根据它们就可以制造温敏二极管，通过对其正向电压的测量可实现对温度的检测。4.2 几个关键性指标(1)UF-T关系对于不同的工作电流，温敏二极管的 UF-T关系也将不同。图（4-1）给出了国产2DWM1型（辽宁宽甸晶体管厂生产）硅温敏二极管恒流下的UF-T特性。由图（4-1）可以看出，在-50+500C 范围内，其 UF-T之间具有良好的线性关系。图（4-1）2DWM1型温敏二极管的UF-T特型(2)灵敏度特性灵敏二极管的灵敏度定义为正向电压对温度的变化率。将式（4.4）对T求偏导，可得灵敏度表达式： (4.5)由式（4.5）可知，温敏二极管的灵敏度为负值，且与常数r，温度T及电流IF有关。当IF=IF1时，灵敏度表达式为 (4.6)从式（4.6）中不难看出，当IF恒定不变时，S的绝对值随温度增加而缓慢递增。当T=T1时，式（4.6）变为 (4.7)由式（4.6）可知，对于给定的温敏二极管，只要工作在恒定电流下，在某已知温度T1下的灵敏度S1就仅取决于电流IF1(或正向电压UF1)大小。(3) 自热特性温敏二极管工作时总要通过一定的电流，因此自热是不可避免的，会致使其结温TJ高于环境温度TA。研究表明，在稳定状态下，自热温升由式（4.8）给出： (4.8)式中：P是指消耗的电功率，自热温升正比于功耗，其比例系数为热阻Rth。将式（4.4）代入式（4.8），得 (4.9)由此可知，对于一定的热阻Rth,自热温升取决于IF和T。显然，在一定的温度范围内，对于不同的工作电流，自热温升是不同的。当T=T 1 IF=IF1,时，由式（4.8）可知，自热温升为 (4.10)可见，随着IF1的增加，自热温升将迅速增加；随着T1的降低，自热温升将增加。对于低温测量，恒定工作电流一般取10-50uA。在室温下，对于硅和砷化镓温敏二极管，当工作电流大约超过300uA时，就应考虑自热温升。然而，对于某些温度测量，往往有意加大工作电流，使温敏二极管工作在自热状态下，利用环境条件的变化对温度的影响，实现对某些非温度量如流体流速和液面位置等的检测。4.3 电路的实现4.3.1 电路的搭建利用温敏二极管的UF-T关系及其自热特性，已经制成了各种温度传感器、换能器以及温度补偿器等。图（4-2）给出了一个典型的应用实例。这是一种简易温度调节器，用于液氮气流式恒温器中77-300K范围的温度调节控制。V是温度检测元件，采用锗温敏二极管。调节RP1,可使流过V的电流保持在50uA左右。比较器采用集成运算放大器uA741，其输入电压为Ur和Ux.为参考电压，由RP2调整给定。所要设定的温度也由Ur给定。Ux随温敏二极管的温度变化而变化，而比较器的输出按差分电压的变化而变化，并驱动由晶体管构成的电流控制器，控制加热器加热。该温度调节器在30min内，控温精度约为0C。图（42）简易温度调节器4.3.2 电路的仿真该电路的仿真是在multism软件完成的，仿真图如下所示。图（43）电路仿真图图（44）波形图图（45）电路实物图4.3.3 电路的调试经过电路的仿真和焊接，V是温度检测元件，采用锗温敏二极管。调节Rp1,可使流过V的电流保持在50uA左右。比较器采用集成运算放大器uA741，其输入电压为Ur和Ux。Ur为参考电压，由Rp2调整给定。所要设定的温度也由Ur给定。Ux。随温敏二极管的温度变化而变化，而比较器的输出按差分电压的变化而变化，并驱动由晶体管构成的电流控制器，控制加热器加热。该温度调节器在30min内，控温精度约为0C。5结论本文以二极管的基本结构、工作原理为基础，主要针对温度对二极管正反向特性的影响，以典型的温敏二极管为主要元件设计制作了一种简易的温度调节器（传感器）。仿真表明，电路工作良好，各项性能指标基本符合设计要求。并在后期进行了实物电路的搭建、焊接及调试。但由于种种条件的限制，最终电路的工作状态及输出出现一定的问题，同时也反映出本人在这方面专业知识和动手操作能力比较欠缺，这还需要我在今后的工作和生活中继续努力。存在的问题：电路焊接技巧技能不够，同时锗温敏二极管在仿真的过程中，只能找取代品，电路正常运行受到明显影响。另外，在实物电路中电压和时间的线性关系不好直接掌控。参考文献：1童诗白模拟电子技术基础（第三版）M北京高等教育出版社,20032周淑阁,付文红,硕力更模拟电子基础M高等教育出版社.20043刘杰PN结物理特性研究中的问题及处理J北京电力高等专科学校学报.2009,(11) 4王治昆,于旭东PN结传感原理线性化分析J河北建筑科技学院学报（自然科学版）,2005,(3):111-1125徐兵PN结正向压降温度特性实验的几点改进措施J计量与测试技术,2011,(2):48-49 6胡险峰,朱世国PN结正向伏安特性曲线随温度的变化J物理实验,2003,23(10):6-97林钢常用电子元器件M机械工业出版社,20048杨栈云,李世文,王俊惠电子器件从原理分析到故障检修及系统应用M科学出版社,20079苏中,李擎基于仿真技术的加速度计标度因数温度补偿J电子测量与仪器学报,2004,18(4):25-2810刘笃仁,韩保君,刘勒传感器原理及应用技术（第二版）M西安电子科技大学出版社,2011致 谢时间如白驹过隙，转眼间大学四年就要结束了，我的论文也已顺利的完成。从接到研究课题到最后的成形，这中间发生的点点滴滴都将成为我人生旅途中不可或缺的一段美好记忆。在此期间，如果没有老师、同学和身边亲友的支持与帮助，我就不可能这么顺利的给自己的大学生涯画上一个完美的句号。本论文是在南雅公老师的悉心指导下完成的。论文研究工作中的每一步，都凝结着南老师的汗水与心血。在这里向所有关心过我的、在我的人生旅途中留下痕迹的人们表示最真挚的感谢。感谢我的老师，谢谢你们的谆谆教导，感谢你们在我困惑时对我的点拨。谢谢南雅公老师在我论文完成过程中对我的指导与帮助。感谢我身边的朋友、同学，尤其是我的舍友们，谢谢你们对我的帮助，谢谢你们能够迁就和容忍我所有的不是。最后，谨向抽出宝贵时间参加本论文答辩工作的教授，老师致以最衷心的感谢。文献综述二极管是最常用的电子元件之一，他最大的特性就是单向导电，也就是电流只可以从二极管的一个方向流过，二极管的作用有整流电路，检波电路，稳压电路，各种调制电路，主要都是由二极管来构成的，其原理都很简单，正是由于二极管等元件的发明，才有我们现在丰富多彩的电子信息世界的诞生。二极管又称晶体二极管，简称二极管(diode)，另外，还有早期的真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由P型半导体和N型半导体烧结形成的P-N结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于P-N 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。极管在电路中的应用是必不可少的，无论是做整流电路还是钳位作用还是其他的一些作用，都会用到它。二极管可分为发光二极管（LED），整流二极管，稳压二极管，开关二极管等等，这里只介绍前面说的几种。发光二极管，一般作为指示灯用，例如电脑的硬盘灯一闪一闪的表示你的硬盘正在工作（如果不闪，则很可能是你的机器忙不过来或者是处在待机状态），还有就是一些随身听上的指示灯，以及充电器的指示灯。发光二极管相对其他二极管正向导通电压较大，一般在1.6V到1.8V间。二其他二极管一般在0.2-0.3V（锗管），0.6-0.8V（硅管）。整流二极管，也是很常见的，利用的是二极管的单向导通特性，从而可以将负极性电信号滤掉-半波整流，也可以进行其它的整流-例如全波整流。二极管还具有稳压作用，这是因为二极管反向接通时，在二极管被击穿的情况下，其电流将瞬间增大，这样在外电压增大时，由于二极管被击穿后增加的电流会通过二极管而不会经过与二极管并联的负载上，从而可以保护与其并联的器件。常见的有保护场效应管，即在场效应管栅极反向并接一个二极管。二极管击穿电压一般在4V-7V。钳位作用：钳位作用就是利用二极管的正向导通电压在导通后维持在0.2-0.4V（锗管），0.6-0.8V（硅管），从而使与其连接的器件两端电压维持在一个范围内，最简单就是三极管的BE结电压在导通时可保持在钳位电压，这点常用于三极管的静态分析。一般无特别说明硅管取0.7V，锗管取0.3V。开关二极管常见型号有1N4148，1N4150，1N4448，利用的是二极管的高速转换特性。其它二极管还有肖特基二极管，隧道二极管，双向出发二极管，微功耗基准电压二极管等，由于其制作工艺不同而具有不同的功能。1.肖特基二极管肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基势垒二极