PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究

論文目錄題目：PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究 1第一章介紹 2第二章歷史背景 2第三章研究意義(PN結(jié)傳感器的性能特點(diǎn)) 3第四章PN結(jié)溫度傳感器的原理及公式推導(dǎo) 4第五章實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：測(cè)溫并計(jì)算Eg 5第六章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，處理 7第七章結(jié)論 9PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究姓名：巫佳毅學(xué)號(hào)：19820092203919摘要：常用的溫度傳感器有熱電偶、測(cè)溫電阻器和熱敏電阻等，這些溫度傳感器均有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也有它的不足之處。PN結(jié)溫度傳感器具有靈敏度高、線性好、熱響應(yīng)快、體積小、輕便和集成化等特點(diǎn)，所以其應(yīng)用勢(shì)必日趨廣泛，但是這類(lèi)溫度傳感器的工作溫度一般為-55℃～150℃，與其它溫度傳感器相比，測(cè)溫范圍的局限性較大。隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高以及人們不斷地探索，到六七十年代時(shí)，PN結(jié)以及在此基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的晶體溫度傳感器，已成為一種新的測(cè)溫技術(shù)躋身于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域了。本課題著重于研究PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系，并且估算被測(cè)PN結(jié)材料硅的禁帶寬度Eg。關(guān)鍵詞：PN結(jié)溫度傳感器，禁帶寬度Eg介紹什么是PN結(jié)呢？把一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體（例如P型硅和N型硅）結(jié)合在一起，在兩者的交界面處就形成了所謂的P-N結(jié)。具體的例如：在一塊N型（或P型）半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ǎㄈ绾辖鸱ǎ瑪U(kuò)散法，生長(zhǎng)法，離子注入法等）把P型（或N型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊單晶的不同區(qū)域分別具有N型和P型的導(dǎo)電類(lèi)型，在二者的交界面就形成了P-N結(jié)。P-N結(jié)具有單向?qū)щ娦浴N結(jié)有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)兩種。用同一種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)叫同質(zhì)結(jié)，由禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)叫異質(zhì)結(jié)。在P型半導(dǎo)體中有許多帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷的電離雜質(zhì)。在電場(chǎng)的作用下，空穴是可以移動(dòng)的，而電離雜質(zhì)（離子）是固定不動(dòng)的。N型半導(dǎo)體中有許多可動(dòng)的負(fù)電子和固定的正離子。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在界面附近空穴從P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散，電子從N型半導(dǎo)體向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散?？昭ê碗娮酉嘤龆鴱?fù)合，載流子消失。因此在界面附近的結(jié)區(qū)中有一段距離缺少載流子，卻有分布在空間的帶電的固定離子，稱(chēng)為空間電荷區(qū)。P型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是負(fù)離子，N型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是正離子。正負(fù)離子在界面附近產(chǎn)生電場(chǎng)，這電場(chǎng)阻止載流子進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡。此即PN結(jié)壓降。早在六十年代初，人們就試圖用PN結(jié)正向壓降隨溫度升高而降低的特性作為測(cè)溫元件，由于當(dāng)時(shí)PN結(jié)的參數(shù)不穩(wěn)定，始終未能進(jìn)入實(shí)用階段。隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高以及人們不斷地探索，到六七十年代時(shí)，PN結(jié)以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的晶體管溫度傳感器，已成為一種新的測(cè)溫技術(shù)躋身于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域了。歷史背景眾所周知，常用的溫度傳感器有熱電偶、測(cè)溫電阻器和熱敏電阻等，這些溫度傳感器均有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也有它的各自不足之處，如熱電偶適用溫度范圍寬，但靈敏度小，線性差且需要參考溫度；熱敏電阻靈敏度高、熱響應(yīng)快、體積小、缺點(diǎn)是非線性，這對(duì)于儀表校準(zhǔn)和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)均感不便；測(cè)溫電阻器如鉑電阻雖然精度高、線性好的長(zhǎng)處，但靈敏度低且價(jià)格昂貴；而PN結(jié)溫度傳感器則有靈敏度高、線性好、熱響應(yīng)快和體積小輕巧等特點(diǎn)，尤其在溫度數(shù)字化、溫度控制以及用微機(jī)進(jìn)行溫度時(shí)訊號(hào)處理方面，乃是其他溫度傳感器不能相比的，其應(yīng)用勢(shì)必日益廣泛。目前結(jié)型溫度傳感器主要以硅為材料，原因是硅材料易于實(shí)現(xiàn)功能化，即將測(cè)溫單元和恒流、放大等電路組合成為一塊集成電路。美國(guó)Motorola電子器件公司在1979年就開(kāi)始生產(chǎn)測(cè)溫晶體管及其組件，如今靈敏度高達(dá)100mv/℃、分辨率不低于0.1℃的硅集成電路溫度傳感器也已問(wèn)世。但是以硅為材料的這類(lèi)溫度傳感器也不是盡善盡美的，在非線性不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值0.5%的條件下，其工作溫度一般為-50℃—150℃，與其他溫度傳感器相比，測(cè)溫范圍的局限較大，如果采用不同材料如銻化銦或砷化鎵PN結(jié)可以展寬低溫區(qū)或高溫區(qū)的測(cè)量范圍。八十年代中期我國(guó)就研制成功以碳化硅為材料的PN結(jié)溫度傳感器，其高溫區(qū)可延伸到500℃，并榮獲國(guó)際博覽會(huì)金獎(jiǎng)。自然界有豐富的材料資源，而人類(lèi)具有無(wú)窮的智慧，理想的溫度傳器需要我們?nèi)ヌ剿?、去開(kāi)發(fā)。正因如此，本題目意在以實(shí)驗(yàn)的方式，呈現(xiàn)出PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系。從最基本原理出發(fā)，通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，了解PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式并作出正向壓降隨溫度變化的曲線。通過(guò)做這些事，去更深入的了解PN結(jié)的這一特性，有助于我們更深入的研究PN結(jié)溫度傳感器。第三章研究意義：PN結(jié)傳感器的性能特點(diǎn)PN傳感器之所以值得我們花大量時(shí)間去探索，去開(kāi)發(fā)，是因?yàn)槠溆胁煌谄渌麄鞲衅鞯膬?yōu)勢(shì)：1.測(cè)量范圍寬該傳感器以正向?qū)ǖ腜N結(jié)結(jié)電壓做測(cè)溫參數(shù)，在正向電流不便的條件下，規(guī)定其長(zhǎng)期連續(xù)工作的溫度范圍為-50℃—150℃。2.靈敏度高傳感器是以結(jié)電壓對(duì)溫度的變化量為測(cè)溫靈敏度。據(jù)此得出平均靈敏度的計(jì)算公式為式中，V1、V3分別為被測(cè)區(qū)域低溫點(diǎn)T1和高溫點(diǎn)T3的輸出電壓值；T1、T3分別為被測(cè)區(qū)域低溫點(diǎn)和高溫點(diǎn)的溫度示值。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和公式計(jì)算出傳感器的平均靈敏度為—2.1mV/℃，比普通工業(yè)用熱電偶高50倍以上。3.時(shí)間常數(shù)小傳感器的測(cè)溫參數(shù)與發(fā)生在結(jié)區(qū)的物理過(guò)程有關(guān)，因而它的時(shí)間常數(shù)取決于半導(dǎo)體的封裝材料、形式及尺寸。采用金屬包封裝溫介質(zhì)，體積可做得很小，不僅提高了傳感器可靠性，而且也提高了被測(cè)對(duì)象的熱交換性能，因而它的時(shí)間常數(shù)在1s~6s之間。4.內(nèi)阻低，功耗小傳感器的輸出電阻就是正向?qū)≒N結(jié)的動(dòng)態(tài)電阻，故內(nèi)阻很小。其工作電流一般在100微安，所以它的靜態(tài)功耗僅在數(shù)十微瓦左右，不足鉑的1/100。5．線性度好線性度是描述傳感器的輸出電壓隨溫度變化的直線程度。根據(jù)測(cè)試出的數(shù)據(jù)算出線性偏差在0.5%之內(nèi)。被測(cè)區(qū)域的溫度值是將傳感器感受到的溫度信號(hào)通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換，直接讀出。第四章PN結(jié)溫度傳感器的原理及公式推導(dǎo)理想PN結(jié)的正向電流IF和壓降VF存在如下關(guān)系式（1）其中q為電子電荷；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；IS為反向飽和電流，它是一個(gè)和PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)的系數(shù)，可以證明（2）其中C是與結(jié)面積、摻入雜質(zhì)濃度等有關(guān)的常數(shù)；r也是常數(shù)；為絕對(duì)零度時(shí)PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差。將（2）式代入（1）式，兩邊取對(duì)數(shù)可得（3）其中，V1=Vn1=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I(lǐng)F=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化，但是方程（3）中，除了線性項(xiàng)V1外還包含非線性項(xiàng)Vn1.下面來(lái)分析Vn1項(xiàng)引起的線性誤差。設(shè)溫度由T1變?yōu)門(mén)時(shí)，正向電壓由VF1變?yōu)閂F，有（3）式可得（4）按理想的線性溫度響應(yīng)，VF應(yīng)取如下形式V理想=VF1+（5）等于T1溫度時(shí)的值。由（3）式可得=（6）V理想= （7）=Vg（0）由理想線性溫度響應(yīng)（7）式和實(shí)際響應(yīng)（4）式相比較，可得實(shí)際響應(yīng)對(duì)線性的理論偏差為V理想（8）設(shè)T1=300K，T=310K，取r=3.4*，由（8）式可得Δ=0.048mV，而相應(yīng)的VF的改變量約20mV，相比之下誤差甚小。不過(guò)當(dāng)溫度變化范圍增大時(shí)，VF溫度響應(yīng)的非線性誤差將有所遞增，這主要是由于r因子所致。綜上所述，在恒流供電的條件下，PN結(jié)的VF對(duì)T的依賴(lài)關(guān)系取決于線性項(xiàng)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(cè)溫依據(jù)。第五章實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：測(cè)溫并計(jì)算EgPN結(jié)正向壓降溫度特性實(shí)驗(yàn)儀由兩部分組成：加熱測(cè)試裝置和測(cè)試儀，其實(shí)物照片如圖1所示。圖1PN結(jié)正向壓降溫度特性實(shí)驗(yàn)儀2.儀器結(jié)構(gòu)及說(shuō)明2.1加熱測(cè)試裝置圖2加熱測(cè)試裝置A→隔離圓筒 B→測(cè)試圓筒塊 C→測(cè)溫元件 D→被測(cè)PN結(jié)E→加熱器F→隔離圓柱G→加熱電源插座 H→信號(hào)輸出插座I→信號(hào)線筒J→隔離圓筒上蓋K→固定橫桿 L→固定豎桿M→固定底板 N→裝置底腳如圖2所示，，被測(cè)PN結(jié)和溫度傳感器均置于測(cè)試圓筒塊上；加熱器裝于銅塊中心柱體內(nèi)，通過(guò)熱隔離后與外殼固定；引線通過(guò)高溫導(dǎo)線連至頂部插座，再由頂部插座用專(zhuān)用導(dǎo)線連至測(cè)試儀；加熱器電源插座，接至測(cè)試儀的“10”、“11”端。2.2測(cè)試儀部分圖3PN結(jié)正向壓降溫度特性實(shí)驗(yàn)儀測(cè)試儀部分（1）加熱器電流IH指示 （2）微電流IF指示 （3）VF、△V電壓指示（4）溫度指示 （5）加熱器電流IH調(diào)節(jié) （6）微電流IF調(diào)節(jié)（7）△V調(diào)零 （8）VF測(cè)量選擇 （9）△V測(cè)量選擇（10）加熱電流輸出“+” （11）加熱電流輸出“-” （12）微電流IF輸出“+”（13）微電流IF輸出“-” （14）VF輸入“+” （15） VF輸入“-”（16）溫度傳感器輸入“+” （17）溫度傳感器輸入“-”測(cè)試儀由恒流源、基準(zhǔn)電壓和顯示等部分組成，原理框圖見(jiàn)圖4：圖4測(cè)試儀原理框圖在圖4中,D為被測(cè)PN結(jié),RF為IF的取樣電阻,開(kāi)關(guān)K用于選擇測(cè)量對(duì)象和極性變換的作用,其中P1、P2測(cè)量IF，P1、P3測(cè)量VF，P1、P4測(cè)量△V電壓。 恒流源有兩組，其中“恒流源1”提供正向電流IF，其電流輸出范圍為：0～1000uA，連續(xù)可調(diào)；另外一組“恒流源2”用于加熱，其控溫電流為：0.001～1.000A，連續(xù)可調(diào)。 基準(zhǔn)電壓源也有兩組，一組用于補(bǔ)償被測(cè)PN結(jié)在0℃或室溫TR時(shí)的正向壓降VF（0）或VF（TR），可通過(guò)調(diào)節(jié)在測(cè)試儀面板的“△V調(diào)零”電位器“（7）”實(shí)現(xiàn)△V=0，并滿足此時(shí)若升溫△V<0,若降溫△V>0,則表明正向壓降隨溫度的升高而下降。另一組基準(zhǔn)電壓源用于溫度轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采用的溫度傳感器的輸出電流以1uA/K正比于絕對(duì)溫度，在1KΩ電阻上產(chǎn)生1mV/K的輸出電壓，范圍為218.2～423.2mV，相應(yīng)的溫度范圍為218.2～423.2K（即-55℃～150℃）。為了方便的顯示該溫度，設(shè)置了一組273.2mV的基準(zhǔn)電壓，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后輸出電壓變?yōu)?55mV～150mV，對(duì)應(yīng)于溫度-55℃～150℃，這樣不僅可以用位LED數(shù)字電壓表顯示，而且以℃為單位也符合使用習(xí)慣。 上述的PN結(jié)工作電流IF、PN結(jié)電壓VF、PN結(jié)電壓變化量△V、加熱恒流IH，溫度T均通過(guò)位LED數(shù)字電壓表顯示在測(cè)試儀的面板上，以便采集。3.實(shí)驗(yàn)步驟3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢查與連接A.取下樣品室的銅套，查待測(cè)PN結(jié)合測(cè)溫元件應(yīng)分放在銅座的左右兩側(cè)圓孔內(nèi)，其管腳步不與容器接觸，然后放好筒蓋內(nèi)的橡皮圈，裝上筒套。O圈的作用是當(dāng)樣品室在冰水中進(jìn)行降溫時(shí)，用以防止冰水滲入室內(nèi)。B．控溫電流開(kāi)關(guān)應(yīng)放在“關(guān)”位置，此時(shí)加熱指示燈不亮。接上加熱電源線和信號(hào)傳輸線。加熱電源線為紅色，兩端帶“手槍式”插頭。3.2VF（0）或VF（TR)的測(cè)量將樣品室埋入盛有冰水（少量水）的杜瓦瓶中降溫，開(kāi)啟測(cè)試儀電源，預(yù)熱數(shù)分鐘后，將“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)（K）撥到IF。調(diào)節(jié)IF=50微安，待溫度冷卻至0℃，將K撥到VF，記下VF（0）值，再將K置于ΔV，由“ΔV調(diào)零”使ΔV=0。本實(shí)驗(yàn)的起始溫度亦可直接從室溫TR開(kāi)始，按上述步驟，測(cè)量VF（TR)，并使ΔV=03.3測(cè)定ΔV-T曲線取走冰瓶，開(kāi)啟加熱電源，逐步提高加熱電流進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，并記錄對(duì)應(yīng)的ΔV和T，至于ΔV、T的數(shù)據(jù)測(cè)量，可按ΔV每改變10或15mV立即讀取一組ΔV、T，這樣減小測(cè)量誤差。應(yīng)該注意，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，升溫速率要慢，且溫度不宜過(guò)高（120度以?xún)?nèi)）。3.4求被測(cè)PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度S（mV/℃）：做ΔT-V曲線，其斜率就是S。3.5估算被測(cè)PN結(jié)材料硅的禁帶寬度，Eg（0）=qVg（0）（電子伏）。根據(jù)（6）式，略去非線性項(xiàng)，得;T=—273.2K。第六章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，處理A．?dāng)?shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)起始溫度TS=28.3℃工作電流IF=50μA起始溫度為T(mén)S=301.5K時(shí)，正向壓降為VF(TS)=601mA控溫電流（A)ΔV=VF(T)-VF(TS)(mA)T（℃）T=(273.2+T)（oK)0.3-1033.2306.4-2037.3310.5-3042.1315.3-4046.9320.1-5051.6324.80.4-6056.5329.7-7061.2334.4-8066.03