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题目：PN结正向压降与温度关系的研究... 1
第一章 介绍... 2
第二章 历史背景.... 2
第三章 研究意义(PN结传感器的性能特点). 3
第四章 PN结温度传感器的原理及公式推导... 4
第五章 实验设计：测温并计算Eg. 5
第六章 实验数据记录，处理.... 7
第七章 结论... 9
PN结正向压降与温度关系的研究
姓名：巫佳毅 学号：19820092203919
摘要：常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处。PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快、体积小、轻便和集成化等特点，所以其应用势必日趋广泛，但是这类温度传感器的工作温度一般为-55℃～150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大。随着半导体工艺水平的提高以及人们不断地探索，到六七十年代时，PN结以及在此基础发展起来的晶体温度传感器，已成为一种新的测温技术跻身于各个应用领域了。本课题着重于研究PN结正向压降与温度的关系，并且估算被测PN结材料硅的禁带宽度Eg。
关键词：PN结温度传感器，禁带宽度Eg
第一章 介绍
什么是PN结呢？
把一块P型半导体和一块N型半导体（例如P型硅和N型硅）结合在一起，在两者的交界面处就形成了所谓的P-N结。具体的例如：
在一块N型（或P型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如合金法，扩散法，生长法，离子注入法等）把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有N型和P型的导电类型，在二者的交界面就形成了P-N结。
P-N结具有单向导电性。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。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。此即PN结压降。
早在六十年代初，人们就试图用PN结正向压降随温度升高而降低的特性作为测温元件，由于当时PN结的参数不稳定，始终未能进入实用阶段。随着半导体工艺水平的提高以及人们不断地探索，到六七十年代时，PN结以及在此基础上发展起来的晶体管温度传感器，已成为一种新的测温技术跻身于各个应用领域了。
第二章 历史背景
众所周知，常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的各自不足之处，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度小，线性差且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小、缺点是非线性，这对于仪表校准和控制系统的调节均感不便；测温电阻器如铂电阻虽然精度高、线性好的长处，但灵敏度低且价格昂贵；而PN结温度传感器则有灵敏度高、线性好、热响应快和体积小轻巧等特点，尤其在温度数字化、温度控制以及用微机进行温度时讯号处理方面，乃是其他温度传感器不能相比的，其应用势必日益广泛。目前结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放大等电路组合成为一块集成电路。美国Motorola 电子器件公司在1979年就开始生产测温晶体管及其组件，如今灵敏度高达100mv/℃、分辨率不低于0.1℃的硅集成电路温度传感器也已问世。但是以硅为材料的这类温度传感器也不是尽善尽美的，在非线性不超过标准值0.5%的条件下，其工作温度一般为-50℃—150℃，与其他温度传感器相比，测温范围的局限较大，如果采用不同材料如锑化铟或砷化镓PN结可以展宽低温区或高温区的测量范围。八十年代中期我国就研制成功以碳化硅为材料的PN结温度传感器，其高温区可延伸到500℃，并荣获国际博览会金奖。自然界有丰富的材料资源，而人类具有无穷的智慧，理想的温度传器需要我们去探索、去开发。
正因如此，本题目意在以实验的方式，呈现出PN结正向压降与温度关系。从最基本原理出发，通过自己动手实验，了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式并作出正向压降随温度变化的曲线。通过做这些事，去更深入的了解PN结的这一特性，有助于我们更深入的研究PN结温度传感器。
第三章 研究意义：PN结传感器的性能特点
PN传感器之所以值得我们花大量时间去探索，去开发，是因为其有不同于其他传感器的优势：
1. 测量范围宽
该传感器以正向导通的PN结结电压做测温参数，在正向电流不便的条件下，规定其长期连续工作的温度范围为-50℃—150℃。
2. 灵敏度高
传感器是以结电压对温度的变化量为测温灵敏度。据此得出平均灵敏度的计算公式为
式中，V1、V3分别为被测区域低温点T1和高温点T3的输出电压值；T1、T3分别为被测区域低温点和高温点的温度示值。
根据测试数据和公式计算出传感器的平均灵敏度为—2.1mV/℃，比普通工业用热电偶高50倍以上。
3.时间常数小
传感器的测温参数与发生在结区的物理过程有关，因而它的时间常数取决于半导体的封装材料、形式及尺寸。采用金属包封装温介质，体积可做得很小，不仅提高了传感器可靠性，而且也提高了被测对象的热交换性能，因而它的时间常数在1s~6s之间。
4.内阻低，功耗小
传感器的输出电阻就是正向导通PN结的动态电阻，故内阻很小。其工作电流一般在100微安，所以它的静态功耗仅在数十微瓦左右，不足铂的1/100。
5．线性度好
线性度是描述传感器的输出电压随温度变化的直线程度。根据测试出的数据算出线性偏差在0.5%之内。被测区域的温度值是将传感器感受到的温度信号通过电压转换，直接读出。
第四章 PN结温度传感器的原理及公式推导
理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下关系式
（1）
其中q为电子电荷；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；IS为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明
（2）
其中C是与结面积、掺入杂质浓度等有关的常数；r也是常数；
为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。
将（2）式代入（1）式，两边取对数可得
（3）
其中，V1= 
Vn1= 
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，但是方程（3）中，除了线性项V1外还包含非线性项Vn1.下面来分析Vn1项引起的线性误差。
设温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF，有（3）式可得
（4）
按理想的线性温度响应，VF应取如下形式
V理想=VF1+
（5）
等于T1温度时的
值。
由（3）式可得
=
（6）
V理想=
（7）
=Vg（0）
由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为
V理想
（8）
设T1=300K，T=310K，取r=3.4*，由（8）式可得Δ=0.048mV，而相应的VF的改变量约20mV，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时，VF温度响应的非线性误差将有所递增，这主要是由于r因子所致。
综上所述，在恒流供电的条件下，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结测温依据。
第五章 实验设计：测温并计算Eg
1. PN结正向压降温度特性实验仪由两部分组成：加热测试装置和测试仪，其实物照片如图1所示。
图1 PN结正向压降温度特性实验仪
2. 仪器结构及说明
2.1 加热测试装置
图2 加热测试装置
A→隔离圆筒 B→测试圆筒块 C→测温元件 D→被测PN结 E→加热器
F→隔离圆柱 G→加热电源插座 H→信号输出插座 I→信号线筒 J→隔离圆筒上盖
K→固定横杆 L→固定竖杆 M→固定底板 N→装置底脚
如图2所示，，被测PN结和温度传感器均置于测试圆筒块上；加热器装于铜块中心柱体内，通过热隔离后与外壳固定；引线通过高温导线连至顶部插座，再由顶部插座用专用导线连至测试仪；加热器电源插座，接至测试仪的“10”、“11”端。
2.2
测试仪部分
图3 PN结正向压降温度特性实验仪测试仪部分
（1）加热器电流IH指示 （2）微电流IF指示 （3）VF、△V电压指示
（4）温度指示 （5）加热器电流IH调节 （6）微电流IF调节
（7）△V调零 （8）VF测量选择 （9）△V 测量选择
（10）加热电流输出“+” （11）加热电流输出“-” （12）微电流IF输出“+”（13）微电流IF输出“-” （14）VF输入“+” （15） VF输入“-”
（16）温度传感器输入“+” （17）温度传感器输入“-”
测试仪由恒流源、基准电压和显示等部分组成，原理框图见图4：
图4 测试仪原理框图
在图4中,D为被测PN结,RF为IF的取样电阻,开关K用于选择测量对象和极性变换的作用,其中P1、P2测量IF，P1、P3测量VF，P1、P4测量△V电压。
恒流源有两组，其中“恒流源1”提供正向电流IF，其电流输出范围为：0～1000uA，连续可调；另外一组“恒流源2”用于加热，其控温电流为：0.001～1.000A，连续可调。
基准电压源也有两组，一组用于补偿被测PN结在0℃或室温TR时的正向压降VF（0）或VF（TR），可通过调节在测试仪面板的“△V调零”电位器“（7）”实现△V = 0，并满足此时若升温△V<0,若降温△V>0,则表明正向压降随温度的升高而下降。另一组基准电压源用于温度转换和校准，因为本实验采用的温度传感器的输出电流以1uA/K正比于绝对温度，在1KΩ电阻上产生1mV/K的输出电压，范围为218.2～423.2mV，相应的温度范围为218.2～423.2K（即-55℃～150℃）。为了方便的显示该温度，设置了一组273.2 mV的基准电压，经过转换后输出电压变为-55mV～150 mV，对应于温度-55℃～150℃，这样不仅可以用
位LED数字电压表显示，而且以℃为单位也符合使用习惯。
上述的PN结工作电流IF、PN结电压VF、PN结电压变化量△V、加热恒流IH，温度T均通过
位LED数字电压表显示在测试仪的面板上，以便采集。
3 .实验步骤
3.1 实验系统检查与连接
A.取下样品室的铜套，查待测PN结合测温元件应分放在铜座的左右两侧圆孔内，其管脚步不与容器接触，然后放好筒盖内的橡皮圈，装上筒套。O圈的作用是当样品室在冰水中进行降温时，用以防止冰水渗入室内。
B．控温电流开关应放在“关”位置，此时加热指示灯不亮。接上加热电源线和信号传输线。加热电源线为红色，两端带“手枪式”插头。
3.2 VF（0）或VF（TR)的测量
将样品室埋入盛有冰水（少量水）的杜瓦瓶中降温，开启测试仪电源，预热数分钟后，将“测量选择”开关（K）拨到IF。调节IF=50微安，待温度冷却至0℃，将K拨到VF，记下VF（0）值，再将K置于ΔV，由“ΔV调零”使ΔV=0。
本实验的起始温度亦可直接从室温TR开始，按上述步骤，测量VF（TR)，并使ΔV=0
3.3测定ΔV-T曲线
取走冰瓶，开启加热电源，逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的ΔV和T，至于ΔV、T的数据测量，可按ΔV每改变10或15mV立即读取一组ΔV、T，这样减小测量误差。应该注意，整个实验过程中，升温速率要慢，且温度不宜过高（120度以内）。
3.4求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV/℃）：做ΔT-V曲线，其斜率就是S。
3.5估算被测PN结材料硅的禁带宽度，Eg（0）=qVg（0） （电子伏）。根据（6）式，略去非线性项，得
; 
T=—273.2K。
第六章 实验数据记录，处理
第七章 结论
PN结温度传感器具有灵敏度高，线性好，热响应快和体积肖小巧轻等特点，尤其在温度数字化、温度控制以及用微机进行温度时讯号处理方面，乃是其他温度传感器不能相比的，其应用势必日益广泛。本题目着重从基础研究PN结正向压降与温度的关系，从中不难体会它的这一特性的奇妙之处。同时，通过测定出的Eg，其与理论值误差非常小（2%），这也体现了PN结温度特性的科学性，可利用性。相信在不远的将来，我们会在这个领域有更多的斩获。
参考文献：1. 厦门大学电子科学系近代物理实验室，近代物理实验2012.1
2. 吴俊林. 基础物理实验[M].西安：陕西师范大学出版社，2006
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4. 杨述武. 普通物理实验(光学部分)[M].北京:高等教育出版社， 1998
5. 都秀芬、张迎养， PN结温度传感器的应用
6. 佚名， PN结正向压降与温度关系的研究和应用