PN结温度系数实验报告

PN结温度系数实验报告 Experiment Report of Semiconductor PN Tiess Temperature Coefficient 黄 锋 Huang Feng 谭 山 Tan Shan 【作者简介】 黄锋,男,工程师。工作单位: 广州市计量测试所。通讯地址:510030广州市 广仁路11号。 谭山,广州市计量测试所(广州,510030)。 【摘 要】 物质的温度系数特性是其能否 成为温度测量元件的关键。本文从理论推导和 实验两方面证明普通的半导体PN结可以应用 于温度仪表的冷端补偿,从而证实了温度仪表 制造中普通半导体PN的用途。 【关 键 词】 温度测量 半导体PN结 温 度系数 冷端补偿 实验 【收稿时间】2000 - 08 - 25 【资料索号】A604 11 问题的提出 温度测量无处不有,温度测量 仪表各式各样,在当今仪表技术水 平下,对配热电偶的温度测量仪表, 影响其精度的最大问题是热电偶的 冷端补偿问题。目前广泛用作冷端 补偿的元件有:集成温度传感器、 铜 电阻、PN结。相比较而言,PN结灵 敏度高、 热响应快、 价格低、 体积小, 正成为一种新兴的测温元件。一般 资料显示,需要特制的PN结温度传 感器才能用于较精密的测温。而热 电偶的冷端补偿,其补偿范围一般 在050,能否用普通的PN结来 作为补偿元件?普通的PN结的温 度系数的离散度有多大? PN结作 为补偿元件有没有优越性?本文就 这些方面与大家进行实验探讨。 21PN结正向压降的温度特性 理论 在PN结众多的物理特性中,它 的正向压降的温度特性可能是不大 引入注意的,但正是这一特性令测 温元件家族中多了一员。 根据半导体理论,通过PN结的 正向电流If与正向压降Vf之间的 关系为: If=Ise qVf kT(1) 式中:If 正向电流,mA ;Vf 正向压降,V ;Is 反向饱和电流, mA ;q 电子电量,e ;k 波尔 兹曼常数,816310 - 5eV/ K; T 热力学温度,K。 而:Is=A TBe - qVgo kT(2) 式中:Vgo 能带间隙电压,V ;A、 B 由PN结工艺结构所决定的常 数。 由(1)、(2)式经整理后,PN结 正向压降的温度系数S(下称温度 系数)为: S=dVf/ dT= k q 1nIf- k q 1nA - kB q - kB q 1nT(3) 或:S= -( Vgo-Vf T + kB q )(4) 31 不同电流模式下的PN结温 度系数S与温度T间的关系 考虑实际的应用,以某一温度 点的温度系数作为参考基准点,令 该参考点为T0,从(3)式可得:S0= k q 1nIf0- k q 1nA- kB qk - kB q 1nT0 导出:1nA=( k q 1nIf0- kB q - kB q 1nT0-S0)q k (5) 将(5)式代入(3)式并结合(4) 式,整理得: S= Vg0-Vf0 T0 + k q 1n If If0 - kB q (1 + 1n T T0) (6) 311在恒流模式下,即If=If0, 1n = If If0 = 0 ,有:S= Vg0-Vf0 T0 - kB q (1 + 1n T T0) (7) 因1n T T0 是T的缓变函数, S 的模随着T增加而上升,但在不宽 的温度范围内, S近似常数。 312在指数电流模式下,即If =If0( T T0) A ,1n If If0 =A1n T T0 有:S= - Vg0-Vf0 T0 + ( A - B) k q 1n T T0 - kB q (8) 特殊地:A=B,则有: S= -( Vg0-Vf0 T0 + kB q )(9) S呈常数,与T无关。 从以上各式可以得出: (1) PN结的温度系数 S为负, 即负温度系数。 (2)温度系数S与流过PN结 的正向电流If有关,在相同的温度 下,If越大,温度系数S的模越小。 (3)流过PN结正向电流If的 模式决定着温度系数S与PN结所 处的温度的关系;在特别的电流模 式下,温度系数S为常数,与PN结 所处的温度无关。 (4)温度系数S与PN结的制 造工艺有关。 41PN结温度系数的实验 实验选用的PN结为常用的硅 二极管1N4148和硅三极管9015。 实验所用的测量仪器有:二等 11 计测技术 热学计量 计量与测试技术2000 16 标准铂电阻温度计, HP34401六位 半繁用表,CS5004标准恒温水槽, 电路电源的稳定度优于0101 %。 考虑测试的方便和准确,只在0 50 范围内测定PN结的平均温 度系数。且计算定义为: t1t2温度范围的平均温度系 数计算为 ( V t2-Vt1/ ( t2-t1); 非线 性 及 离 散 度 的 计 算 为 (Smax-Smin )/ 2 ?S。 实验一:测定硅三极管9015在 通以正比于温度的B次幂的电流时 的温度系数。实验电路很简单,利 用ZX25a电阻箱调节和测量流向 PN结的电流,实验时采用了8只三 极管9015 ,以B = 315估算。实验数 据如下表1 : 表1 稳压215198V ,表格内温度系数的单位为- mV/ 温度范围0101020203030404050平均值非线性 样品1 #1. 8961. 8981. 8891. 9021. 9031. 8980. 37 % 2 #1. 8871. 8961. 8991. 8941. 9021. 8960. 40 % 3 #1. 9021. 9031. 8991. 9091. 9101. 9050. 29 % 4 #1. 8901. 8891. 8891. 8971. 8971. 8920. 21 % 5 #1. 9001. 9031. 9041. 9051. 9101. 9040. 26 % 6 #1. 9001. 9011. 8971. 9061. 9081. 9020. 29 % 7 #1. 9011. 9041. 9021. 9101. 9141. 9060. 34 % 8 #1. 8961. 9031. 9061. 9071. 9041. 9030. 29 % 平均值1. 8971. 9001. 8981. 9041. 9061. 9010. 25 % 离散度0. 54 %0. 51 %0. 52 %0. 57 %0. 53 %0. 48 % 实验表明,在此电流模式下,PN 结的温度系数呈现很明显的常数特 征。 实验二:在一般的冷端补偿电 路中,大多数是采用恒压供电,本项 实验即模拟这种情况。实验时,采 用了16只9015 ,正向电流在20 时 分别选择了100A ,200A ,500A 进行了三项实验,每项实验过程中 电路供压不变,限流电阻不变。实 验数据如下表2 : 表2 稳压215198V ,表格内温度系数的单位为- mV/ 0101020203030404050平均值非线性 100A (20 ) 系 数2. 2242. 2332. 2452. 2562. 2662. 2450. 9 % 离散度0. 5 %0. 5 %0. 6 %0. 6 %0. 5 % 200A (20 ) 系 数2. 1602. 1722. 1852. 1982. 2122. 1861. 2 % 离散度0. 4 %0. 4 %0. 6 %0. 4 %0. 4 % 500A (20 ) 系 数2. 0872. 0982. 1072. 1182. 1292. 1082. 0 % 离散度0. 5 %0. 5 %0. 5 %0. 4 %0. 4 % 实验表明,在此电流模式下,PN 结的温度特性在具有一定的常数特 征下,呈现随着温度升高而数值上 升的趋势。 实验三:采用IN4148在与实验 二相同的条件下进行实验,实验时 采用了16只IN4148 ,正向电流在 20 时选择了200A进行实验。实 验数据如下表3 : 表3 稳压215198V ,表格内温度系数的单位为- mV/ 0101020203030404050平均值非线性 100A (20 ) 系 数2. 2672. 2422. 2192. 2332. 2202. 2361. 1 % 离散度1. 2 %0. 7 %1. 0 %0. 6 %0. 7 % 实验表明,1N4148的PN结温 度系数虽然不精密地符合半导体理 论,但其非线性和离散度也仅在1 % 左右。 51PN结和冷端补偿(结语) 常用的热电偶,其热电特性是 非线性的,在室温附近,其热电灵敏 度是随着温度的升高而增加的。集 成温度传感器、 铜电阻等冷端补偿 元件的热电特性是线性的;而对恒 流供电的PN结,其热电特性是非线 性的,其热电灵敏度(温度系数)的 模也是随着温度的升高而增加,与 热电偶的热电特性相近,因此,用 PN结作冷端补偿,其理论精度要优 于其它元件。采用普通的PN结,用 恒流供电桥路,其补偿性能也与线 性补偿相当。表4列出本实验二、 三的PN结用于冷端补偿时的精度。 表4 本次实验用PN结的补偿精度 (0 50) 热电偶类型KSET 用9015进行补偿的精度,0. 10. 80. 20. 3 用1N4148进行补偿的精度,0. 21. 00. 40. 5 冷端线性温度补偿精度,0. 20. 90. 30. 4 从实验得出,普通PN结的温度 系数与半导体理论推导是相近的, 普通PN结的温度系数是有一定的 离散度(本实验数据表明离散度在 015 %1 %左右 ) , 作为热电偶的冷 端补偿元件使用,应该是适合的。 另外,如1N4148的温度特性的理论 精度虽然稍差,然而,对自身内部发 热较大的仪表,因为1N4148体积 小,响应快,甚至可以埋入仪表的接 线端子中,其实际的补偿精度可能 比其它要更为理想。 (上接第10页) 看,预测精度是比较满意的。这样 在生产实际中,当测量头连续测量 85009000个零件时,测量头的精 度损失就接近或超过其公差下限, 直接影响测量结果的可靠性。因 此,连续测量8500个零件以后,就 需要考虑更换或修配测量头。 41 结束语 本文根据灰色系统理论对柱塞 内径测量头的精度损失规律建立了 其预测模型,经残差检验、 关联度检 验和后验差检