PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系的研究與應(yīng)用

1、 課程設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）設(shè)計題目 pn結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究和應(yīng)用設(shè)計技術(shù)參數(shù) 設(shè)計參數(shù)： 溫度的精度：0.1 pn結(jié)的靈敏度:0.01 pn結(jié)的禁帶寬度：0.01 設(shè)計要求 1.了解pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式； 2.在橫流供電條件下，測繪pn結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其靈敏度和被測pn結(jié)材料的禁帶寬度； 3.了解不同控溫電流和工作電流時pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的性質(zhì) 3.學(xué)習(xí)用pn結(jié)測溫的方法。工作量 15個工作日左右工作計劃2013/7/08-2013/7/11 實(shí)驗(yàn)選題2013/7/12-2013/7/14 實(shí)驗(yàn)操作2013/7/15-

2、2013/7/17 實(shí)驗(yàn)論文2013/7/18-2013/7/20 論文檢查和修飾參考資料1.楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)m.北京.清華大學(xué)出版社，2006；2.張映輝. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)m.機(jī)械工業(yè)出版社,2010.1.1;3.杭州大華.dh-sj5溫度傳感器實(shí)驗(yàn)說明書j.杭州大華儀器研究所.2005.4.劉杰. pn結(jié)物理特性研究中的問題及處理j.北京電力高等?？茖W(xué)校.2009.6指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字 年 月 日 pn結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系的研究與應(yīng)用 摘要:在恒流供電條件下，設(shè)計電路，寫出實(shí)驗(yàn)原理，擬出實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行測量。測繪pn結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其靈敏度和被測pn

3、結(jié)材料的禁帶寬度。比較不同控溫電流與工作電流下，pn結(jié)的性質(zhì)。關(guān)鍵字：恒流供電；pn結(jié)；靈敏度；禁帶寬度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 在實(shí)驗(yàn)中,采用硅三極管來代替硅二極管，復(fù)合電流主要在基極出現(xiàn)，三極管接成共基極線路（集電極與基極短接），集電極電流中不包含復(fù)合電流。 恒流源有兩組，其中一組是用于加熱，另一組用于提供工作電流。pn結(jié)溫度傳感器有靈敏度高，線性好，熱響應(yīng)快和體積小的優(yōu)點(diǎn)，尤其在數(shù)字測溫，自動控制和微機(jī)信號處理方面有其獨(dú)特之處，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。2.pn結(jié)基本原理 2.1 pn結(jié)特性的測量由半導(dǎo)體物理學(xué)中有關(guān)pn結(jié)的研究可以得出pn結(jié)的正向電流與正向電壓滿足以下關(guān)系

6、； =（exp-1） 式中e為電子電荷量、k為玻爾茲曼常數(shù)，t為熱力學(xué)溫度，為反向飽和電流，它是一個與pn結(jié)材料禁帶寬度及溫度等因素有關(guān)的系數(shù)，是不隨電壓變化的常數(shù)。由于在常溫（300k）下，kt/q=0.026,而pn結(jié)的正向壓降一般為零點(diǎn)幾伏,所以于是有 這就是pn結(jié)正向電流與正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化的關(guān)系,若測得半導(dǎo)體pn結(jié)的關(guān)系值,則可利用上式以求出e/kt.在測得溫度t后,就可得到e/k常數(shù),將電子電量代入即可求得玻爾茲曼常數(shù)k。2.2 pn結(jié)正向壓降隨溫度變化靈敏度s的測量由物理學(xué)知，二極管的反向飽和電流與絕對零度時pn結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價帶頂間的電勢差有如下關(guān)系： 式中，r是常數(shù)，c

7、是與結(jié)面積、摻雜濃度等有關(guān)的參數(shù)，將式代式后兩邊取對數(shù)得 其中 這就是pn結(jié)正向壓降作為電流和溫度函數(shù)的表達(dá)式，它是pn結(jié)溫度傳感器的基本方程。令if=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化。 在恒流供電條件下，pn結(jié)的vf對t的依賴關(guān)系取決于線性項v1，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是pn結(jié)測溫的依據(jù)。vft的特性還隨pn結(jié)的材料而異。略去非線性項，可得 t=-273.2k，即攝氏溫標(biāo)與凱爾文溫標(biāo)之差。 3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和數(shù)據(jù)分析 3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)記錄 3.1.1測定曲線 將“加熱電流”開關(guān)置“關(guān)”位，將“風(fēng)扇電流”置開關(guān)置“關(guān)”位置，接上加熱電源線和信號傳輸線，兩個連線均為直插式。用d

8、h-vc1直流恒壓源恒流源穩(wěn)定電壓，此時dh-sj2型溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)字萬用表測試儀上將顯示出室溫,記錄下起始溫度,調(diào)節(jié)至記錄下值。開啟加熱電流（指示燈即亮），逐步提高加熱電流進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，并記錄對應(yīng)的和t。求被測pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度s（mv/）。以t為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，作曲線，其斜率就是s。估算被測pn結(jié)的禁帶寬度，將實(shí)驗(yàn)所得的與公認(rèn)值電子伏比較，求其誤差。 表1：pn結(jié)正向壓降隨溫度的升溫過程數(shù)據(jù)記錄表 實(shí)驗(yàn)起始溫度：=29.7 工作電流 =100起始溫度為時的正向壓降：= 464mv 控溫電流:0.7a升溫過程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 圖1: pn結(jié)正向壓降隨溫度的升溫過程變化圖 上圖為升溫過程，（1）從圖中可得斜率s=-2.0733mv/，線性擬合系數(shù)r=-0.99942,即pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度s=-2.0733mv/.斜率的標(biāo)準(zhǔn)差

10、為 =-0.0182mv/即=.所以pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度的最終結(jié)果是 （2）被測pn結(jié)材料的禁帶寬度。根據(jù)公式計算得= =1.18v 那么顯然有eg（0）= e=1.18ev，與公認(rèn)值1.21比較有相對誤差 表2 pn結(jié)正向壓降與溫度的降溫過程的數(shù)據(jù)記錄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 圖2 pn結(jié)正向壓降與溫度的降溫過程的變化圖 修改了字體上圖為降溫過程，（1）從圖中可得s=-2.11396mv/線性擬合系數(shù)r=-0.99942即pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度s=-2.11396mv/.斜率的標(biāo)準(zhǔn)差=-0.0183mv/即=.所以pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度的結(jié)果 （2）被測pn結(jié)材料的禁帶寬度。那么根據(jù)公式計算得= =1.19v 那么顯然有eg（0）= vgve=1.18ev，與公認(rèn)值1.21比較有相對誤差 3.1.2 不同加熱電流時pn結(jié)的性質(zhì) 改變

12、溫度傳感器的加溫按鈕，調(diào)節(jié)控溫電流至0.5a，開啟加熱電流（指示燈即亮），逐步提高加熱電流進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，比較控溫電流0.7a時pn結(jié)靈敏度的不同。 表3 不同加熱電流時pn結(jié)的正向壓降與溫度的特性實(shí)驗(yàn)起始溫度：=27.4 工作電流=100起始溫度為時的正向壓降：= 534mv 控溫電流: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 圖3 不同加熱電流時 pn結(jié)的正向壓降與溫度的特性 將圖1（控溫電流：0.7a）與圖3（控溫電流：0.5a）比較，當(dāng)控溫電流為0.7a時 pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度s=-2.0733mv/。當(dāng)控溫電流為0.5a時pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度s=-2.3810mv/.可得控溫電流越高，pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度越高。3.1.3不同工作電流時pn結(jié)的性質(zhì) 改變工作電流開啟加

14、熱電流（指示燈即亮），逐步提高加熱電流進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)。與工作電流=100比較，pn結(jié)的靈敏的的性質(zhì)。 表4 不同工作電流時 pn結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)起始溫度：=31.9 工作電流：=300 起始溫度為時的正向壓降：= 538mv 控溫電流: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 圖4 不同工作電流pn結(jié)的正向壓降與溫度的關(guān)系 將圖1（工作電流）與圖4（工作電流)相比較。當(dāng)工作電流=時pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度s=-2.0733mv/。當(dāng)工作電流時pn結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度s=-2.365mv/可得工作電流越高，pn結(jié)的正向壓降隨溫度變化的靈敏度越低 3.3 結(jié)果分析（1從圖1，圖2升溫過程與降溫過程的圖像可得：在一定溫度范圍內(nèi)pn結(jié)的正向壓降與溫度的變化呈線性關(guān)系，并且pn結(jié)的靈敏度較高。從圖3，圖4不同控溫

16、電流和不同工作電流下pn結(jié)的靈敏度變化可得：pn結(jié)受溫度的影響較大，測溫范圍存在一定的局限性。 （2）誤差分析 我所操作的實(shí)驗(yàn)儀器升溫較慢，所以實(shí)驗(yàn)過程中，為了加快升溫速度，采用了較大的電流值?？梢詮臄?shù)據(jù)記錄中看到。但是實(shí)驗(yàn)中為求精確，應(yīng)該緩慢地升高電流值，這樣使得得到的數(shù)據(jù)會影響所測得數(shù)據(jù)的線性關(guān)系，使的測得的結(jié)果有誤差。 降溫過程非常緩慢，為使其加速，采取了一些不正規(guī)的操作。如開窗吹風(fēng)，或扇風(fēng)。這樣造成待測結(jié)材料的受熱不均，所以它不是在均勻條件下自然冷卻，所以使實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差。 4.結(jié)論 pn結(jié)的性質(zhì)：pn結(jié)具有靈敏度高，線性好，熱響應(yīng)快和體積小的優(yōu)點(diǎn)，但同時pn結(jié)測溫范圍的局限性較大，有待于進(jìn)一步的開發(fā)與研究。此