温度传感器的温度特性测量实验

1、温度传感器的温度特性测量实验【目的要求】测量PN结温度传感器的温度特性；测试PN结的正向电流与正向电压的关系（指数变化规律）并计算出玻尔兹曼常数。【实验仪器】FD-ST-TM温度传感器温度特性实验模块（需配合FD-ST系列传感器测试技术实验仪）含加热系统、恒流源、直流电桥、Pt100铂电阻温度传感器、NTC1K热敏电阻温度传感器、PN结温度传感器、电流型集成温度传感器AD590、电压型集成温度传感器LM35、实验插接线等）。【实验原理】“温度”是一个重要的热学物理量，它不仅和我们的生活环境密切相关，在科研及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果至关重要，所以温度传感器应用广泛。温度传感器是利

2、用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见下表。类型传感器测温范围/特点热电阻铂电阻-200650准确度高、测量范围大铜电阻-50150镍电阻-60180半导体热敏电阻-50150电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差热电偶铂铑-铂 （S）01300用于高温测量、低温测量两大类、必须有恒温参考点（如冰点）铂铑-铂铑（B）01600镍铬-镍硅（K）01000镍铬-康铜（E）-200750铁-康铜 （J）-40600其它PN结温度传感器-50150体积小、灵敏度高、线性好、一致性差IC温度传感器-50150线性度好、一致性好PN结温度传感器 1 测试P

3、N结的Vbe与温度变化的关系，求出灵敏度、斜率及相关系数PN结温度传感器是利用半导体PN结的结电压对温度依赖性，实现对温度检测的，实验证明在一定的电流通过情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。通常将硅三极管b、c极短路，用b、e极之间的PN结作为温度传感器测量温度。硅三极管基极和发射极间正向导通电压Vbe一般约为600mV（25），且与温度成反比。线性良好，温度系数约为-2.3mV/,测温精度较高，测温范围可达-50150。缺点是一致性差，互换性差。通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足（1）式 （1）在常温条件下，且时，（7）式可近似为 （2）（7）、（8）式中: T 为热力

4、学温度 ； Is 为反向饱和电流；正向电流保持恒定条件下，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 （3）（3）式中Ugo为半导体材料参数，K为PN结的结电压温度系数。实验测量如下图。图中用恒压源串接51K电阻使流过PN结的电流近似恒流源。 2.玻尔兹曼常数测定PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础之一。模块通过专用电路来测量研究PN结扩散电流与结电压的关系，证明此关系遵循指数变化规律，并准确的推导出玻尔兹曼常数（物理学的重要常数之一）。由半导体物理学可知，PN结的正向电流电压关系满足式（1），式（1）中，I是通过PN结的正向电流，IS是不随电压变化的常数（漏电流）。

5、T是热力学温度。e是电子的电荷量，U为PN结正向压降。由于在常温（300K）时KT/e0.026V，而PN结正向压降约为几百毫伏，则exp(eU/KT)1,则式（1）中-1项可忽略，于是有： (2)即：PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。如测出PN结I-U关系值，则利用式（1）可以求出e/KT。在测得实际温度T后就可以得到e/K常数，把电子电荷量代入即可求得玻尔兹曼常数K。 在实际测量中，二极管的PN结I-U关系虽也满足指数关系，但求得的K往往偏小，这是因为通过二极管电流一般包括三个成分：1扩散电流，它严格遵循式（8）；2耗尽层复合电流，它正比于exp(eU/2KT);3表面电流，它是由S

6、i和SiO2界面中杂质引起的。其值正比于exp(eU/mKT),一般m2。因此为了准确的推导出K，不宜采用二极管，而采用硅三极管，且接成共基极电路。因为此时三极管C和B短接，C极电流仅仅是扩散电流，复合电流主要在B极中出现。这样测量E极电流就能得到满意的结果。【实验内容】1玻尔兹曼常数测定按实验要求接好电路。为保证改变I-U值时PN结温度不变，将PN结插入干井炉井内并将温度设定控制50（0.1），调节电位器改变U1 （Ube）和U2（U0）值，每间隔0.02V测一点，约测10点左右，至U2值达到饱和时（ U2值变化很小或基本不变）结束测量。数据记录如下： t = 50U1/V0.3000.32

7、00.3400.3600.3800.4000.4200.4400.4600.480U2/V曲线拟合：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，然后求出衡量各回归函数的好坏标准差。对已测出的U1和U2，多对数据，以U1为自变量，U2作因变量，分别代入（1）线性函数U2=a U1+b；(2)乘幂函数U2=a U1b；(3)指数函数U2= exp(b U1)。求出各函数的a和b的值，得出三种函数式究竟哪一种符合物理规律必须用标准差来检验。办法为：把实验测 得的各个自变量U1分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值U2*，并由此求出各函数拟合的标准差： = （4）式中n为测量数据个数，Ui为实验测得的因变量，Ui*为将自变量代入基本函数后得到的因变量预期值，最后比较哪一种基本函数的标准差最小，说明该函数拟合得最好。 计算e/K常数，将电子电量作为标准代入式（1），即可求出玻尔兹曼常数，并说明玻尔兹曼分布律的物理含义。2.PN结温度传感器温度特性的测试将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉中心井