制冷與低溫測試技術(shù) 概論 半導(dǎo)體二極管

浙江大學能源工程學院制冷與低溫研究所浙江大學，20040101，20120410，20131107，20141028，20161115updated制冷與低溫測試技術(shù)教學內(nèi)容課程介紹（2）第一章 測量誤差分析（3）

測量基本概念

測量誤差及其表示方法隨機誤差及其計算

誤差的傳遞誤差的綜合第二章

溫度的測量（11）

溫度和溫標（2）熱電偶溫度計（3）

熱電阻溫度計

（3）

膨脹式溫度計（1）氣體溫度計（1）蒸汽壓溫度計及其它（1）

熱電勢和電阻的測量第三章

壓力和真空的測量

液柱式壓力計彈性式壓力計壓力變送器

真空測量第四章

流量測量

容積式流量計渦輪流量計電磁流量計超聲波流量計

速度頭流量計靶式流量計轉(zhuǎn)子流量計節(jié)流式流量計

低溫流體質(zhì)量流量的測量流量儀表的標定裝置第五章

低溫流體液面測量

壓差式液面計電阻式液面計超導(dǎo)式液面計

電容式液面計熱力學液面計其他低溫流體液面測量方法第六章

氣體組分測量與分析（補充）（結(jié)合“專業(yè)實驗——熱電偶的制作與標定”進行）

溫度不同于其它的物理量，它不能直接進行測量，即不能象質(zhì)量與長度那樣，把一個人工制品與其相應(yīng)的單位直接進行比較，而只能通過測量某些與其相關(guān)的物理量來從中導(dǎo)出。因此，溫度是一個強度量，具有非疊加性。溫度是最重要的物理量之一。它遍及最基本的物理定理和幾乎每一種物理測量之中。它的單位開爾文(K)是國際單位制（SI）的七個基本單位之一。所謂溫度計量，實際上是指根據(jù)一些具有物理意義的單位制（目前是國際單位制）來對溫度數(shù)值進行確定。幾乎沒有什么物理特性不與溫度有關(guān)。因此，存在著大量的以物理量表征的物理特性可以作為溫度計量的基礎(chǔ)。至少在理論上可以認為，具有與溫度有關(guān)的物理特性的物體都可以用來制作溫度傳感器或溫度計。因此，必然會出現(xiàn)多種多樣的溫度計。引言在實用方面，人們并不是把每一種具有與溫度有關(guān)的參數(shù)的物體都用作溫度計。能夠作為溫度計基礎(chǔ)的物理參數(shù)必須滿足以下條件：測量簡便、復(fù)現(xiàn)性好、靈敏度高以及隨溫度單調(diào)變化。就物理參數(shù)與溫度之間的關(guān)系而言，大致可以分為兩類溫度計：熱力學溫度計和實用溫度計。如這種關(guān)系主要來自于基本物理定律，則相應(yīng)的溫度計稱為基準溫度計或熱力學溫度計；如該關(guān)系主要出自于經(jīng)驗公式，則相應(yīng)的溫度計稱為次級溫度計或?qū)嵱脺囟扔?。某些溫度計如氣體溫度計、輻射溫度計等既可用作熱力學溫度計，也可用作實用溫度計。所不同的是，兩種應(yīng)用的內(nèi)插方程不同。引言實用溫度計亦稱次級溫度計。目前使用的大多數(shù)溫度計都是實用溫度計。它們的讀數(shù)是以1990年國際溫標(ITS-90)為基礎(chǔ)，即T90。為簡便起見，仍以溫度T表示。對于實用溫度計來說，沒有表示特性參數(shù)與溫度之間關(guān)系的理論推導(dǎo)公式，即使有，這種關(guān)系也是含糊不清的或者不能同實驗結(jié)果很好一致的。因此，代之以一種經(jīng)驗性的內(nèi)插方程，其系數(shù)一般通過在一系列已知溫度點下的檢定而得出。引言二極管溫度計是基于二極管正向偏壓與電流以及與溫度的關(guān)系特性（必須注意電壓引線的極性）。眾所周知，當二極管的正向偏壓小于一定的電壓VF時，二極管內(nèi)無電流通過。VF稱為二極管的正向?qū)妷骸Ｋ请娏髂芡ㄟ^p-n結(jié)的最低電壓。在VF以上的電壓下，電流近似地以V/T的指數(shù)規(guī)律增大。當正向偏壓大于VF而且使電流恒定時，正向偏壓隨溫度變化。在大約20K到150C的溫度范圍內(nèi)，電壓幾乎隨著溫度的升高而線性地降低。在20K溫度以下，電壓則隨溫度降低而呈指數(shù)地增大。屬于實用溫度計的范疇。用于溫度測量的最常用的二極管有硅二極管和砷化鎵二極管。前者因為工業(yè)上批量生產(chǎn)以及價格便宜而得到比較廣泛的應(yīng)用。2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計——原理二極管溫度計：利用二極管在穩(wěn)定的正向電流（一般為10

A，±0.05%）的條件下，正向電壓（0.1~6V）隨溫度的降低而增加的原理而制成的。正向電壓對電流較敏感，因此必須注意電壓引線的極性。硅二極管半導(dǎo)體溫度計是結(jié)合氣相外延技術(shù)和擴散技術(shù)做成的。它在高電導(dǎo)硅襯底上生長一個薄的外延層作材料，用通常的平面雙擴散技術(shù)制備成p-n結(jié)。在引線接觸作好以后，二極管密封裝入一個塑料管殼內(nèi)。封裝前，二極管用一個玻璃罩保護，防止外界環(huán)境的影響。砷化鎵二極管實驗樣品是用液相外延生長技術(shù)制備的。p型外延層摻鋅雜質(zhì)濃度是每cm3的原子數(shù)為1019，厚度大約12

m。襯底為n型GaAs，摻雜濃度為每cm3原子數(shù)約6

1016。2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計——原理對于硅的靈敏度，在4.2K時為5.0mV/K，在77K時為2.75mV/K。硅p-n結(jié)二極管溫度計靈敏度和復(fù)現(xiàn)性較好。砷化鎵二極管溫度計在1~400K溫度范圍內(nèi)顯示出近似的線性關(guān)系，靈敏度足夠高。砷化鎵p-n結(jié)二極管溫度計在低溫時靈敏度稍差，但是復(fù)現(xiàn)性較好。鍺p-n結(jié)二極管溫度計在20~100K溫度范圍內(nèi)電壓降隨溫度變化曲線是光滑的，而在20K以下靈敏度突然升高?？墒墙?jīng)室溫至低溫多次冷熱循環(huán)之后復(fù)現(xiàn)性不好。2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計——性能2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計——性能半導(dǎo)體二極管溫度計有如下特點：優(yōu)點：(1)可在1~100K溫度范圍測量；(2)和半導(dǎo)體電阻溫度計相比，受磁場影響較??；(3)作為溫度計的半導(dǎo)體二極管比較容易得到；(4)價格便宜。缺點：(1)復(fù)現(xiàn)性差；(2)體積大；(3)不能作點的溫度測量。

作為溫度計用的二極管，需要有密封套裝置，抽真空后充氦氣。這樣可得到較好的穩(wěn)定性和較短的反響時間。由圖中可以看出，整個溫區(qū)必須分成兩段擬合。在擬合時，要刪去20K附近的一段溫區(qū)，因為在這段溫區(qū)內(nèi)V-T曲線的斜率dV/dT變化太大，溫度計不能使用。而在這個臨界區(qū)的兩側(cè)，V-T特性是平滑的，可以用簡單的多項式作非臨界擬合。在每一段溫區(qū)內(nèi)，要適當分布十幾個分度點，否則難以得到較高的準確度。2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計——硅二極管硅二極管的正向偏壓與溫度關(guān)系圖

2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計——砷化鎵二極管砷化鎵二極管的V-T如要求更高的擬合精度，需將溫區(qū)在90K處分成兩段，對它們分別進行擬合。二極管溫度計使用的溫度范圍是從1K到200C。在200

C以上溫度下使用是不允許的。該類溫度計的最大準確度是出現(xiàn)在50K附近，可達

10mK；在較高溫度下，準確度約為

0.1K。作為實用溫度計，所有的二極管溫度計必須在若干溫度點下進行檢定。根據(jù)檢定數(shù)據(jù)，得出溫度計的擬合曲線。二極管溫度計的主要優(yōu)點是靈敏度高、測量范圍較寬、價格不高以及電壓測量容易；缺點是在20K附近有斷層現(xiàn)象，而且在低溫下功耗較大。2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計SiliconDiodes(硅二極管溫度計)——被“RESEARCH&DEVELOPMENT”雜志引為當年（1987年）100個最有影響的技術(shù)產(chǎn)品。能在任何場合相互之間很方便地進行替換。所有的LakeShore控溫儀、數(shù)字式溫度計和低溫泵顯示器上。2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計可重復(fù)性——在每一個溫度計中的小硅片具有眾所周知的穩(wěn)定的溫度特性。這種硅二極管溫度計設(shè)計成能經(jīng)受到低溫下的熱循環(huán)而沒有機械損壞。在從環(huán)境溫度到液氦溫度的反復(fù)熱循環(huán)中，在4.2K的可重復(fù)性一般為

10mK或更小。從330K到1.4K的可重復(fù)性一般優(yōu)于

20mK。對于長期的穩(wěn)定性，可參照說明書。2.8

半導(dǎo)體二極管溫度計精確度——對于DT-470二極管溫度計，有5種許用公差可供選擇，以滿足技術(shù)和經(jīng)濟雙方面的需要。在這5種公差帶中，可提供低溫下的精確度為

0.25K，

0.5K和

1K。對于DT-471二極管溫度計，從10K到475K，精確度為

1.5K或者溫度讀數(shù)的

1.5%，取兩者的大者。對于更多的嚴格要求，DT-470/DT-471二極管溫度計可以采用SoftCal，或者這些溫度計可標定到精確度為

50mK或更好。StandardCurve10ToleranceBandsBand2~100K100~305K305~475K11

0.25K

0.5K

1.0