PN结正向压降与温度的关系的研究与应用

1、 课程设计（论文）任务书 学 号学生姓名专业（班级）设计题目 pn结正向压降与温度关系的研究和应用设计技术参数 设计参数： 温度的精度：0.1 pn结的灵敏度:0.01 pn结的禁带宽度：0.01 设计要求 1.了解pn结正向压降随温度变化的基本关系式； 2.在横流供电条件下，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.了解不同控温电流和工作电流时pn结正向压降随温度变化的性质 3.学习用pn结测温的方法。工作量 15个工作日左右工作计划2013/7/08-2013/7/11 实验选题2013/7/12-2013/7/14 实验操作2013/7/15-

2、2013/7/17 实验论文2013/7/18-2013/7/20 论文检查和修饰参考资料1.杨素行.模拟电子技术基础m.北京.清华大学出版社，2006；2.张映辉. 大学物理实验m.机械工业出版社,2010.1.1;3.杭州大华.dh-sj5温度传感器实验说明书j.杭州大华仪器研究所.2005.4.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.2009.6指导教师签字基层教学单位主任签字 年 月 日 pn结正向压降与温度的关系的研究与应用 摘要:在恒流供电条件下，设计电路，写出实验原理，拟出实验步骤，进行测量。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

3、结材料的禁带宽度。比较不同控温电流与工作电流下，pn结的性质。关键字：恒流供电；pn结；灵敏度；禁带宽度pn junction is a study the realationship of pressure drop with temperature and application abstract:under the condition of constant current power supply,circuit design,experimental principle,draw up the experimental steps ahd measurements.p-n junct

4、ion positive pressure drop with temperrature chang curve of surveying and mapping,and thus determine the sensitivity and the p-n junction being measured materials forbidden band width.compare diffreent temperature control electric current and work flow,the nature of the p-n junction. key word:consta

5、nt current;power supply;p-n junction;sensitivity;forbidden band width1.引言 在实验中,采用硅三极管来代替硅二极管，复合电流主要在基极出现，三极管接成共基极线路（集电极与基极短接），集电极电流中不包含复合电流。 恒流源有两组，其中一组是用于加热，另一组用于提供工作电流。pn结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而获得了广泛的应用。2.pn结基本原理 2.1 pn结特性的测量由半导体物理学中有关pn结的研究可以得出pn结的正向电流与正向电压满足以下关系

6、； =（exp-1） 式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，t为热力学温度，为反向饱和电流，它是一个与pn结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。由于在常温（300k）下，kt/q=0.026,而pn结的正向压降一般为零点几伏,所以于是有 这就是pn结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体pn结的关系值,则可利用上式以求出e/kt.在测得温度t后,就可得到e/k常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k。2.2 pn结正向压降随温度变化灵敏度s的测量由物理学知，二极管的反向饱和电流与绝对零度时pn结材料的导带底和价带顶间的电势差有如下关系： 式中，r是常数，c

7、是与结面积、掺杂浓度等有关的参数，将式代式后两边取对数得 其中 这就是pn结正向压降作为电流和温度函数的表达式，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。 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。vft的特性还随pn结的材料而异。略去非线性项，可得 t=-273.2k，即摄氏温标与凯尔文温标之差。 3.实验内容和数据分析 3.1 实验内容及数据记录 3.1.1测定曲线 将“加热电流”开关置“关”位，将“风扇电流”置开关置“关”位置，接上加热电源线和信号传输线，两个连线均为直插式。用d

8、h-vc1直流恒压源恒流源稳定电压，此时dh-sj2型温度传感器实验装置数字万用表测试仪上将显示出室温,记录下起始温度,调节至记录下值。开启加热电流（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的和t。求被测pn结正向压降随温度变化的灵敏度s（mv/）。以t为横坐标，为纵坐标，作曲线，其斜率就是s。估算被测pn结的禁带宽度，将实验所得的与公认值电子伏比较，求其误差。 表1：pn结正向压降随温度的升温过程数据记录表 实验起始温度：=29.7 工作电流 =100起始温度为时的正向压降：= 464mv 控温电流:0.7a升温过程01020304050607080 29.735.140.64

9、5.765.970.8t=(273.2+t)k302.9308.3313.8318.9324.3329.3334.4338.9344.09010011012013014015016017075.580.284.789.393.798.3102.7107.2t=(273.2+t)k348.7353.4357.9362.5366.9371.5375.9380.4 图1: pn结正向压降随温度的升温过程变化图 上图为升温过程，（1）从图中可得斜率s=-2.0733mv/，线性拟合系数r=-0.99942,即pn结正向压降随温度变化的灵敏度s=-2.0733mv/.斜率的标准差

10、为 =-0.0182mv/即=.所以pn结正向压降随温度变化的灵敏度的最终结果是 （2）被测pn结材料的禁带宽度。根据公式计算得= =1.18v 那么显然有eg（0）= e=1.18ev，与公认值1.21比较有相对误差 表2 pn结正向压降与温度的降温过程的数据记录01020304050607080 31.236.041.547.051.970.3t=(273.2+t)k304.4309.2314.7320.2325.1330.3335.3340.0343.510011012013014015016017018075.280.084.789.193.698.2102.8

11、107.2t=(273.2+t)k348.4353.2357.9362.3366.8371.4376.0380.4 图2 pn结正向压降与温度的降温过程的变化图 修改了字体上图为降温过程，（1）从图中可得s=-2.11396mv/线性拟合系数r=-0.99942即pn结正向压降随温度变化的灵敏度s=-2.11396mv/.斜率的标准差=-0.0183mv/即=.所以pn结正向压降随温度变化的灵敏度的结果 （2）被测pn结材料的禁带宽度。那么根据公式计算得= =1.19v 那么显然有eg（0）= vgve=1.18ev，与公认值1.21比较有相对误差 3.1.2 不同加热电流时pn结的性质 改变

12、温度传感器的加温按钮，调节控温电流至0.5a，开启加热电流（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，比较控温电流0.7a时pn结灵敏度的不同。 表3 不同加热电流时pn结的正向压降与温度的特性实验起始温度：=27.4 工作电流=100起始温度为时的正向压降：= 534mv 控温电流:0.5a0102030405060708090 26.930.935.239.643.848.152.356.560.764.9t=(273.2+t)k300.1304.1308.4312.8317.0321.3325.5 329.7333.9338.110011012013014015016017018019

13、069.073.277.581.685.890.094.198.3102.5106.6t=(273.2+t)k342.2346.4350.7354.8359.0363.2367.3371.5375.7379.8 图3 不同加热电流时 pn结的正向压降与温度的特性 将图1（控温电流：0.7a）与图3（控温电流：0.5a）比较，当控温电流为0.7a时 pn结正向压降随温度变化的灵敏度s=-2.0733mv/。当控温电流为0.5a时pn结正向压降随温度变化的灵敏度s=-2.3810mv/.可得控温电流越高，pn结正向压降随温度变化的灵敏度越高。3.1.3不同工作电流时pn结的性质 改变工作电流开启加

14、热电流（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验。与工作电流=100比较，pn结的灵敏的的性质。 表4 不同工作电流时 pn结正向压降与温度的关系 实验起始温度：=31.9 工作电流：=300 起始温度为时的正向压降：= 538mv 控温电流:0.7a0102030405060708090 31.935.740.344.648.953.257.361.765.870.0t=(273.2+t)305.1308.9313.5317.8322.1326.4330.6334.9339.0343.2100110120 13014015016017018019074.278.482.686.891.19

15、5.299.5103.7107.9t=(273.2+t)k347.4351.6355.8360.0364.3368.4372.7376.9381.1 图4 不同工作电流pn结的正向压降与温度的关系 将图1（工作电流）与图4（工作电流)相比较。当工作电流=时pn结正向压降随温度变化的灵敏度s=-2.0733mv/。当工作电流时pn结正向压降随温度变化的灵敏度s=-2.365mv/可得工作电流越高，pn结的正向压降随温度变化的灵敏度越低 3.3 结果分析（1从图1，图2升温过程与降温过程的图像可得：在一定温度范围内pn结的正向压降与温度的变化呈线性关系，并且pn结的灵敏度较高。从图3，图4不同控温

16、电流和不同工作电流下pn结的灵敏度变化可得：pn结受温度的影响较大，测温范围存在一定的局限性。 （2）误差分析 我所操作的实验仪器升温较慢，所以实验过程中，为了加快升温速度，采用了较大的电流值。可以从数据记录中看到。但是实验中为求精确，应该缓慢地升高电流值，这样使得得到的数据会影响所测得数据的线性关系，使的测得的结果有误差。 降温过程非常缓慢，为使其加速，采取了一些不正规的操作。如开窗吹风，或扇风。这样造成待测结材料的受热不均，所以它不是在均匀条件下自然冷却，所以使实验结果出现误差。 4.结论 pn结的性质：pn结具有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，但同时pn结测温范围的局限性较大，有待于进一步的开发与研究。此