PN结温度传感器性能的实验研究■毕业设计PN结温度传感器性能的实验研究学生XX 指导教师：XX内容摘耍：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，主耍测量型号有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结温度传感器线性度IStudy for PN junction sensor experimental performanee of the temperatureAbstract: It is used to measure forward voltage drop and temperature characteristic of different type's PN semic on ductors in order to obtain the data of experiment. By neatenin^ analyzing, comparing, synthesizing data, it is a comparis on of these comp on ent about the strengths and weaknesses of response rate and linearity in order to provide for reason of legitimately choosi ng PN junctio n temperature tra nsmitter.The experime nt an a lyses temperature characteristic of different model diodeszthe temperature characteristic of 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 which are used for controlling experiment.Keywords: PN junction temperature sensor linearityII冃 录.、八—1—刖盲 计介绍 1.1课题背景 1.2课程设计构成和研究内容…PN结温度传感器的原理 2.1半导体PN结及其导电性能.2.2 PN结正向压降与温度的关系2.2.1错误！未定义书签。
1课程设错误！未定义书签错误！未定义书签 错误！未定义书签2，•…错误！未定义书签 错误！未定义书签 错误!未定义书签公式推导 错误！未定义书签2.2.2非线性误差分析2.2.3……错误！未定义书签PN结温度传感器的主耍技术参数错误!未定义书签……错误！未定义书签错误！未定义书签3 PN结温度传感器的实验研究3.1实验情况介绍 3.2实验数据与数据分析 错误！未定义书签3.2.1不同型号的二极管的温度特性分析 错误！未定义书签3.2.2同一种型号的3个二极管的温度特性分析……错误！未定义 书签3.2.3二极管PN结升温过程与降温过程可逆性的分析•错误！未定 义书签3.2.4同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性分析错误！ 未定义书签3.2.5同一个二极管多次测量的温度特性分析••……错误！未定义书 签3.2.6用ESCORT台式精密万用表测量PN结正向压降VF错误！未定 义书签3.3 PN结温度传感器的设计 错误！未定义书签3.4 PN结温度传感器的特点 错误！未定义书签4结束语 错误！未定义书签附录 错误！未定义书签参考文献 错误！未定义书签IIIIVPN结温度传感器性能的实验研究刖5PN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耍求。
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RN结温度传感器是利用PN特性研的， 它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，钳电阻，和热敏电阻的各自优点，同时它克服了这些传统测温器件 的某些固冇缺陷，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來，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冇其优缺点，热电偶测温范 围宽，但灵敏度低，输出线性差，需耍设置参考点；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；测温电阻如钳电阻虽然精度 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 微机信号处理方面冇其独特之处，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気，为合理选用 PN结制作温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1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（通常是硅或错）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冇一段距 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2PN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结加正向电压口寸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 PN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l?ls(expqU?l) (2.2.1-1) kT英中Is为PN结的反向饱和电流，q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250〜430K吋，expqU>>l,则上式 可变为kT3l?lsexpeU (2.2.1-2) kTPN结的反向饱和电流Is是与PN结材料的禁带宽度Vg和热力学温度T 冇关的函数，即 ls?CTexp(?reVg(0)kT) (2.2.1-3)其中C是与PN结的结面积和掺杂浓度等冇关的常数，r为与PN结冇 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2.5— 3.5范围内，通常典型的经验数据取r = 3.4o Vg(0)是绝对零度时PN结材料 满带和价带的电势差，Vg为禁带宽度，不同材料的半导体不同。
错0.7・0.8eV,硅为l.l-1.2eVoW(2.2.1-3)式代入(2.2.1・2)式得 l?CTrexpe(U?Vg(0))kT(2.2.1-4)对(2.2.1-4)式两边取对数并整理得U?VgO?Ul?VgO?kT?Cr? ?Ln?Ln(T)? (2.2.1-5) e?l?kTOCLn elUnl??kTOLn(TOr)eU?Ul?Unl (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木方程令I二常数， 则U1与温度T为线性关系，而(2.2.1-5)式中还包含非线性项Uni2.2.2非线性误差分析下面来分析一下由Uni引起的非线性误差由(2.2.1-5)式中Unl??kTOLn(TOr)项 e可看出来，Uni只与温度有关，而与电流大小I无关Ln(TO)是一个随 TO增加的微变函数，当温度TO较大时Ln(TO)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度为T1变为T时，正向压降由VF1变为VF,则由(2.2.1-5)式 可得VF?VgO??VgO?VFl?TkTT?Ln()r (2.2.2-1) TleTl4。