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1、PN结温度传感器性能的实验研究学生XX 指导教师：XX 内容摘要：本课题通过实验对不同类型的半导体PN结器件进行正向压降与温度特性的测量，获取实验数据，通过整理、分析、比较、综合实验数据，从中比较各器件灵敏度，线性度的优劣，为合理选用PN结温度传感器提供依据。主要分析了不同型号的二极管的温度特性，同一种型号的3个二极管的温度特性分析，同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性和同一个二极管多次测量的温度特性，主要测量型号有2CP11，1N4007型二极管，FG314050型发光二极管，2CW117型二极管，2CN2型二极管以及用来作对照实验的S9014型三极管。关键词：PN结 温度传感器 线
2、性度Study for PN junction sensor experimental performance of the temperatureAbstract: It is used to measure forward voltage drop and temperature characteristic of different types PN semiconductors in order to obtain the data of experiment. By neatening, analyzing, comparing, synthesizing data, it is a
3、 comparison of these component about the strengths and weaknesses of response rate and linearity in order to provide for reason of legitimately choosing PN junction temperature transmitter.The experiment analyses temperature characteristic of different model diodes,the temperature characteristic of
4、the same model for three diodes,the temperature characteristic of the same model diode when it is constant current ,and the several measurements of same model diode about the temperature characteristic. And the major types include 2CP11, 1N4007 diodes, 2CW117 diode , 2CN2 diode and S9014 dynatron wh
5、ich are used for controlling experiment.Keywords: PN junction temperature sensor linearity目 录前言11 课程设计介绍11.1 课题背景11.2 课程设计构成和研究内容12 PN结温度传感器的原理22.1 半导体PN结及其导电性能22.2 PN结正向压降与温度的关系32.2.1 公式推导32.2.2 非线性误差分析42.2.3 PN结温度传感器的主要技术参数53 PN结温度传感器的实验研究63.1 实验情况介绍63.2 实验数据与数据分析73.2.1 不同型号的二极管的温度特性分析73.2.2 同一种型号
6、的3个二极管的温度特性分析103.2.3 二极管PN结升温过程与降温过程可逆性的分析113.2.4 同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性分析133.2.5 同一个二极管多次测量的温度特性分析153.2.6 用ESCORT台式精密万用表测量PN结正向压降163.3 PN结温度传感器的设计173.4 PN结温度传感器的特点184 结束语19附录21参考文献2223PN结温度传感器性能的实验研究前言PN结温度传感器是一种体积小，检温准确、操作方便的温度计量器具，它适应不同温度区域的检温要求。在科研、化工，制药，冷藏、供暖和粮食储存等领域中得到广泛应用。而PN结温度传感器是利用PN特性研的，它
7、是一种半导体敏感器件, 实现温度与电压的转换。在常温范围内兼有热电偶，铂电阻，和热敏电阻的各自优点，同时它克服了这些传统测温器件的某些固有缺陷，是自动控制和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件之一。1 毕业设计介绍1.1 课题背景随着半导体工艺水平的不断提高和发展，半导体PN结正向压降随温度升高而降低的特性使PN结作为测温元件成为可能，过去由于PN结的参数不稳，它的应用受到了极大限制，进入二十世纪七十年代以来，微电子技术的发展日趋成熟和完善，PN结作为测温元件受到了广泛的关注，温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温度系数传感器的阻值随温度
8、的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN结属于负温度系数的传感器。这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如铂电阻虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。相比之下，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。本文则着重研究各种不同类型二极管PN结的正向压降与温度特性的关系。通过整理、分析、综合实验数据，比较各二极管灵敏度和线性度的优劣，为合理选用PN结制作温
9、度传感器提供选择依据。1.2 毕业设计构成和研究内容此论文由绪论、PN结温度传感器的原理、PN结温度传感器的实验研究、结论、结束语、致谢、附录、参考文献八个部分组成。研究内容有如下：半导体PN结及其导电性能、PN结正向压降与温度的关系、非线性误差、不同型号的二极管的温度特性分析、同一种型号的3个二极管的温度特性分析、二极管PN结升温过程与降温过程可逆性的分析、同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性分析、同一个二极管多次测量的温度特性分析、PN结温度传感器的设计、PN结温度传感器的特点。2 PN结温度传感器的原理2.1 半导体PN结及其导电性能PN结（PN junction）：采用不同的掺
10、杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。具体分析如下：在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质，在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间
11、电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。如图2.1-1为PN结的形成过程：图2.1-1 PN结的形成过程PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN结P区的电
12、位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。 PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。如图2.1-2为PN结单向导电性示意图：2.1-2 PN结单向导电性2.2 P
13、N结正向压降与温度的关系2.2.1 公式推导在PN 结正向偏压工作状态下，流过PN 结的电流强度I 满足 （2.2.1-1）其中Is为PN 结的反向饱和电流，为电子电量，k为玻耳兹曼常量，T为环境的热力学温度。当T 在250430K时，1，则上式可变为 （2.2.1-2）PN 结的反向饱和电流是与PN 结材料的禁带宽度和热力学温度T 有关的函数，即 （2.2.1-3）其中C是与PN 结的结面积和掺杂浓度等有关的常数，r为与PN结有关的常数，r的数值决定于少数载流子迁移率与温度的关系，一般在1.53.5范围内，通常典型的经验数据取r = 3. 4。是绝对零度时PN结材料满带和价带的电势差 ，为禁
14、带宽度，不同材料的半导体不同。锗0.7-0.8eV，硅为1.1-1.2eV。将(2.2.1-3) 式代入(2.2.1-2) 式得 （2.2.1-4）对（2.2.1-4）式两边取对数并整理得 （2.2.1-5） （2.2.1-5）式就是PN结正向压降与温度和电流的关系，它是温度传感器的基本方程。令I=常数，则与温度T为线性关系，而（2.2.1-5）式中还包含非线性项。2.2.2 非线性误差分析下面来分析一下由引起的非线性误差。由（2.2.1-5）式中项可看出来，只与温度有关，而与电流大小I无关。是一个随增加的微变函数，当温度较大时的变化更慢，更接近线性函数。我们现在分析一下此非线性项的影响。设温
15、度为变为时，正向压降由变为，则由（2.2.1-5）式可得 （2.2.2-1）按照理想的线性温度响应，应取如下形式 （2.2.2-2）其中为曲线的斜率，且温度为和T时值相等由（2.2.1-5）式得 （2.2.2-3）所以 （2.2.2-4）比较（2.2.2-4）和（2.2.1-5）式，可得实际对线性的理论误差为 （2.2.2-5）设， ，取r=3.4，由（2.2.1-10）式计算可得=0.048 mV，而相应的值改变为20mV，相对误差百分比为0.24%，相比之下误差甚小。综上所述，在恒流供电条件下，PN结的对T的依赖关系取决于线性项，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的理论依据。
