《二極管溫度傳感器性能的實驗研究》10000字

二極管溫度傳感器性能的實驗研究目錄第一章前言 11.1研究背景 11.2研究意義 1第二章溫度傳感器的相關(guān)概念與原理 22.1溫度傳感器的相關(guān)概述 22.1.1溫度傳感器的定義 22.1.2溫度傳感器測量方式分類 22.2PN結(jié)的相關(guān)原理 32.2.1PN結(jié)的定義 32.2.2ＰＮ結(jié)的形成 32.2.3PN結(jié)單向?qū)щ娦苑治?5第三章PN結(jié)溫度傳感器相關(guān)性能研究 73.1PN結(jié)溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù) 73.1.1極限參數(shù) 73.1.2線性度 73.1.3靈敏度 73.1.4互換偏差 73.1.5時間常數(shù) 73.1.6穩(wěn)定度 83.2PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系 83.2.1公式推導(dǎo) 83.2.2非線性誤差分析 93.3PN結(jié)的相關(guān)參數(shù)測量 103.3.1PN結(jié)的伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測量 103.3.2弱電流測量 10第四章PN結(jié)溫度傳感器的實驗研究 124.1實驗情況介紹 124.1.1實驗儀器介紹 124.1.2實驗樣品介紹 124.1.3測試范圍介紹 124.2不同型號的二極管的溫度特性實驗分析 124.2.1不同型號的二極管的溫度特性數(shù)據(jù) 124.2.2處理方法 144.2.3測試結(jié)果分析如下 154.2.4總結(jié) 154.3同一種型號的3個二極管的溫度特性試驗分析 154.3.1同一種型號的3個二極管的溫度特性數(shù)據(jù) 154.3.2測試結(jié)果分析 174.3.3總結(jié) 174.4二極管PN結(jié)升降溫過程可逆性試驗分析 174.4.1二極管PN結(jié)升降溫可逆性數(shù)據(jù) 174.4.2測試結(jié)果分析 184.4.3總結(jié) 194.5同一種型號二極管在不同的恒定電流下的溫度特性分析 194.5.1試驗數(shù)據(jù) 194.5.2測試結(jié)果分析 204.5.3總結(jié) 214.6同一個二極管多次測量的溫度特性分析 214.6.1試驗數(shù)據(jù) 214.6.2測試結(jié)果分析 224.6.3總結(jié) 22結(jié)論 23參考文獻 24第一章前言1.1研究背景隨著半導(dǎo)體工藝水平的不斷提高和發(fā)展，半導(dǎo)體PN結(jié)正向壓降隨溫度升高而降低的特性使PN結(jié)作為測溫元件成為可能，過去由于PN結(jié)的參數(shù)不穩(wěn)，它的應(yīng)用受到了極大限制，進入二十世紀(jì)七十年代以來，微電子技術(shù)的發(fā)展日趨成熟和完善，PN結(jié)作為測溫元件受到了廣泛的關(guān)注，溫度傳感器有正溫度系數(shù)傳感器和負(fù)溫度系數(shù)傳感器之分，正溫度系數(shù)傳感器的阻值隨溫度的上升而增加，負(fù)溫度系數(shù)傳感器的阻值隨溫度的上升而減少，熱電偶、熱敏電阻，測溫電阻屬于正溫度系數(shù)傳感器，而半導(dǎo)體PN結(jié)屬于負(fù)溫度系數(shù)的傳感器。這兩類傳感器各有其優(yōu)缺點，熱電偶測溫范圍寬，但靈敏度低，輸出線性差，需要設(shè)置參考點；而熱敏電阻體積小，靈敏度高，熱響應(yīng)速度快，缺點是線性度差；測溫電阻如鉑電阻雖然精度高，線性度好，但靈敏度低，價格高。相比之下，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，尤其在數(shù)字測溫，自動控制和微機信號處理方面有其獨特之處，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。本文則著重研究各種不同類型二極管PN結(jié)的正向壓降與溫度特性的關(guān)系。通過整理、分析、綜合實驗數(shù)據(jù)，比較各二極管靈敏度和線性度的優(yōu)劣，為合理選用PN結(jié)制作溫度傳感器提供選擇依據(jù)。1.2研究意義雖然PN結(jié)測溫傳感器的研究已經(jīng)有多年了，但隨著新的器件的不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，對傳感器的性能要求提高，還有很大的發(fā)展空間；另一方面，性能優(yōu)越的新材料不斷涌現(xiàn)，新的特性的敏感材料為我們提供了新的選擇，使傳感器的設(shè)計面臨新的理念。作為一個很有發(fā)展前途的技術(shù)，PN結(jié)測溫傳感器技術(shù)在我國還是比較落后的，尤其在一些特殊行業(yè)的應(yīng)用上，如醫(yī)療、高壓電氣設(shè)備的監(jiān)測、冶金加工、航空航天上在線溫度檢測上。因此建立全面系統(tǒng)的PN結(jié)測溫傳感器檢測理論，提供簡單、實用化技術(shù)，對提高我國這方面的科學(xué)儀器的水平具有重要的意義。第二章溫度傳感器的相關(guān)概念與原理2.1溫度傳感器的相關(guān)概述2.1.1溫度傳感器的定義溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器芯片是一種具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。電阻材料的不同，直接導(dǎo)致電阻溫度傳感器性能及技術(shù)參數(shù)的不同。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。2.1.2溫度傳感器測量方式分類（1）接觸式溫度傳感器通過熱傳導(dǎo)及對流原理達到熱平衡，這時的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動的、熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕作用的對象，種方法將會產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對象，也可測溫度場的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。（2）非接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。非接觸溫度傳感器的測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。接觸式溫度傳感器的特點：非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。2.2PN結(jié)的相關(guān)原理2.2.1PN結(jié)的定義在一塊本征半導(dǎo)體中，摻以不同的雜質(zhì)，使一邊為P型，另一邊為N型，則在兩部分的接觸面就會形成一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成二極管、三極管及可控硅等許多半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。PN結(jié)溫度傳感器和接觸式溫度傳感器、非接觸式溫度傳感器相比，最大的優(yōu)點是輸出特性呈線性，且測量精度高。PN結(jié)測溫傳感器是利用半導(dǎo)體材料和器件的某些性能參數(shù)對溫度依賴性，實現(xiàn)對溫度的檢測、控制和補償?shù)裙δ堋?.2.2PN結(jié)的形成（1）當(dāng)Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，由于交界面處存在載流子濃度的差異，這樣電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。但是，電子和空穴都是帶電的，它們擴散的結(jié)果就使Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)中原來的電中性條件破壞了。Ｐ區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動的負(fù)離子，Ｎ區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動的正離子。這些不能移動的帶電粒子通常稱為空間電荷，它們集中在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是我們所說的ＰＮ結(jié)，如圖2.1所示。圖2.1濃度差使載流子發(fā)生擴散運動（2）在這個區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來的多數(shù)載流子(到了本區(qū)域后即成為少數(shù)載流子了)復(fù)合掉了，即多數(shù)載流子被消耗盡了，所以又稱此區(qū)域為耗盡層，它的電阻率很高，為高電阻區(qū)。（3）Ｐ區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電荷，Ｎ區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)正電荷，因此空間電荷區(qū)出現(xiàn)了方向由Ｎ區(qū)指向Ｐ區(qū)的電場，由于這個電場是載流子擴散運動形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為內(nèi)電場，如圖2.2所示。圖2.2內(nèi)電場形成（4）內(nèi)電場是由多子的擴散運動引起的，伴隨著它的建立將帶來兩種影響：一是內(nèi)電場將阻礙多子的擴散，二是P區(qū)和N區(qū)的少子一旦靠近PN結(jié)，便在內(nèi)電場的作用下漂移到對方，使空間電荷區(qū)變窄。（5）因此，擴散運動使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強，有利于少子的漂移而不利于多子的擴散；而漂移運動使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場減弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂移。當(dāng)擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即ＰＮ結(jié)處于動態(tài)平衡。ＰＮ結(jié)的寬度一般為0.5um。一塊單晶半導(dǎo)體中，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導(dǎo)體時，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面附近的過渡區(qū)稱為PN結(jié)。PN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)。如圖2.3為PN結(jié)的形成過程：圖2.3PN結(jié)的形成過程2.2.3PN結(jié)單向?qū)щ娦苑治觯?）PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。（2）PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。如圖2.4為PN結(jié)單向?qū)щ娦允疽鈭D：圖2.4PN結(jié)單向?qū)щ娦缘谌翽N結(jié)溫度傳感器相關(guān)性能研究3.1PN結(jié)溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)3.1.1極限參數(shù)最高工作溫度：是指傳感器在規(guī)定的條件下長期連續(xù)工作所允許的上限溫度。一般規(guī)定PN結(jié)溫度傳感器的最高溫度為200℃。圖3.1二極管極限參數(shù)曲線最低工作溫度：是指傳感器在規(guī)定的條件下長期連續(xù)工作所允許的溫度下限。一般規(guī)定-50℃為常規(guī)下限工作溫度。3.1.2線性度PN結(jié)溫度傳感器的線性度是描述傳感器的輸出電壓隨溫度變化的直線程度，PN結(jié)溫度傳感器在-50℃-200℃內(nèi)典型線性程度數(shù)值為0.5%。圖3.22DWM1型溫敏二極管的UF-T特型3.1.3靈敏度靈敏度是指在規(guī)定的條件下，環(huán)境溫度每變化1℃時PN結(jié)正向壓降的變化值，用表示，單位是mV/℃。它的典型數(shù)值為-2.10mV/℃。圖3.3二極管靈敏度曲線3.1.4互換偏差互換偏差是指對于同一個確定的理想擬合直線（PN結(jié)正向壓降與溫度的曲線），每一個傳感器的V-T曲線與該直線的最大偏差，這個電壓偏差通常按-2.10mV/℃折合成溫度表示?；Q偏差是描述同型號傳感器互換程度的一個重要指標(biāo)，它主要取決于材料電阻率的均勻一致性的好壞，制造器件的工藝水平以及工藝水平控制的一致性、重復(fù)性。圖3.4理想擬合直線PN結(jié)正向壓降與溫度的曲線3.1.5時間常數(shù)PN結(jié)溫度傳感器的時間常數(shù)，是描述傳感器動態(tài)特性的一個特征參數(shù)，它的定義應(yīng)適用于熱敏電阻關(guān)于時間常數(shù)的定義，即傳感器在零功率測試條件下（自熱忽略或者很?。?，當(dāng)環(huán)境溫度變化時傳感器受到的溫度變化從其實到最終變量的63.2%所需的時間。它反應(yīng)了傳感器對溫度的敏感程度，也就是對快速變化的溫度信號的響應(yīng)快慢，特便是對于測量脈動溫度，脈動流速等場合該參數(shù)極為重要。3.1.6穩(wěn)定度PN結(jié)溫度傳感器的穩(wěn)定度是描述傳感器在各種使用條件下保持原有特性的能力的參數(shù)。通過實驗對不同類型的二極管進行實驗，分別開展其正向電壓降與溫度關(guān)系特性的測量實驗及研究，計算出上述的一些參數(shù)，進行分析比較，從而為合理選用PN結(jié)溫度傳感器提供選擇依據(jù)。3.2PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系3.2.1公式推導(dǎo)在PN結(jié)正向偏壓工作狀態(tài)下，流過PN結(jié)的電流強度I滿足（3.1）其中Is為PN結(jié)的反向飽和電流，為電子電量，k為玻耳茲曼常量，T為環(huán)境的熱力學(xué)溫度。當(dāng)T在250～430K時，>>1，則上式可變?yōu)椋?.2）PN結(jié)的反向飽和電流是與PN結(jié)材料的禁帶寬度和熱力學(xué)溫度T有關(guān)的函數(shù)，即（3.3）其中C是與PN結(jié)的結(jié)面積和摻雜濃度等有關(guān)的常數(shù)，r為與PN結(jié)有關(guān)的常數(shù)，r的數(shù)值決定于少數(shù)載流子遷移率與溫度的關(guān)系，一般在1.5—3.5范圍內(nèi)，通常典型的經(jīng)驗數(shù)據(jù)取r=3.4。是絕對零度時PN結(jié)材料滿帶和價帶的電勢差，為禁帶寬度，不同材料的半導(dǎo)體不同。鍺0.7-0.8eV，硅為1.1-1.2eV。將(3.3)式代入(3.2)式得（3.4）對（3.4）式兩邊取對數(shù)并整理得（3.5）（3.5）式就是PN結(jié)正向壓降與溫度和電流的關(guān)系，它是溫度傳感器的基本方程。令I(lǐng)=常數(shù)，則與溫度T為線性關(guān)系，而（3.5）式中還包含非線性項。3.2.2非線性誤差分析下面來分析一下由引起的非線性誤差。由（3.5）式中項可看出來，只與溫度有關(guān)，而與電流大小I無關(guān)。是一個隨增加的微變函數(shù)，當(dāng)溫度較大時的變化更慢，更接近線性函數(shù)。我們現(xiàn)在分析一下此非線性項的影響。設(shè)溫度為變?yōu)闀r，正向壓降由變?yōu)?，則由（3.5）式可得（3.6）按照理想的線性溫度響應(yīng)，應(yīng)取如下形式（3.7）其中為曲線的斜率，且溫度為和T時值相等由（3.6）式得（3.8）所以（3.9）比較（3.8）和（3.9）式，可得實際對線性的理論誤差為（3.10）設(shè)，，取r=3.4，由（3.10）式計算可得=0.048mV，而相應(yīng)的值改變?yōu)?0mV，相對誤差百分比為0.24%，相比之下誤差甚小。綜上所述，在恒流供電條件下，PN結(jié)的對T的依賴關(guān)系取決于線性項，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是PN結(jié)測溫的理論依據(jù)。3.3PN結(jié)的相關(guān)參數(shù)測量3.3.1PN結(jié)的伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測量PN結(jié)的正向電流-電壓關(guān)系滿足：(3.11)當(dāng)時，(1)式括號內(nèi)-1項完全可以忽略，于是有：(3.12)也即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測得PN結(jié)關(guān)系值，則利用(3.11)式可以求出。在測得溫度后，就可以得到，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)。實驗線路如圖1所示。圖3.1PN結(jié)擴散電源與結(jié)電壓關(guān)系測量線路3.3.2弱電流測量LF356是一個高輸入阻抗集成運算放大器，用它組成電流-電壓變換器(弱電流放大器)，如圖3.2所示。其中虛線框內(nèi)電阻為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。圖3.2弱電流放大器運算放大器的輸入電壓為：(3.13)式(3)中為輸入電壓，為運算放大器的開環(huán)電壓增益，即圖3.2中電阻時的電壓增益（稱反饋電阻）。因而有：(3.14)由（3.14）式可得電流-電壓變換器等效輸入阻抗為(3.15)由(3.13)式和(3.14)式可得電流-電壓變換器輸入電流與輸出電壓之間的關(guān)系式，即：(3.16)只要測得輸出電壓和已知值，即可求得值。第四章PN結(jié)溫度傳感器的實驗研究4.1實驗情況介紹本實驗課題要求對不同的半導(dǎo)體材料、不同的半導(dǎo)體PN結(jié)器件(二極管類型)，分別開展其正向電壓降與溫度關(guān)系特性的測量實驗及研究。4.1.1實驗儀器介紹本實驗的實驗儀器主要有PJ-PNW-I型PN結(jié)正向壓降溫度測量儀、ESCORT臺式精密萬用表、恒溫箱和樣品架。PJ-PNW-I型PN結(jié)正向壓降溫度測量儀的設(shè)定溫度范圍為（30℃-120℃），設(shè)定溫度的最設(shè)定值為0.1℃，該測量儀用來測量正向壓降采用的是mV表，最小分度值為1mV。ESCORT臺式數(shù)字精密萬用表電壓測量的最分度為0.01mV。4.1.2實驗樣品介紹選用的型號有2cp11，1N4007型二極管，F(xiàn)G314050發(fā)光二極管，2CW117型二極管，2CN2型二極管以及用來作對照實驗的S9014型三極管。每種同型號的二極管都選擇了三個樣品來測量，另外選取了一個1N4007型二極管，對它進行了6次相同條件的測量（多次測量）。4.1.3測試范圍介紹本實驗選取的溫度范圍為40℃到110℃，每間隔五度作為一個測量點，測量出各個溫度點的PN結(jié)的正向壓降。4.2不同型號的二極管的溫度特性實驗分析4.2.1不同型號的二極管的溫度特性數(shù)據(jù)由原理部分可知，綜上所述，在恒流供電條件下，PN結(jié)的對T的依賴關(guān)系取決于線性項，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降。所以保持通過PN結(jié)的正向電流為50，測量2CP11，1N4007型二極管，F(xiàn)G314050發(fā)光二極管，2CW117型二極管，2CN2型二極管以及S9014型三極管（基極和發(fā)射結(jié)連接在一起）在各個測試溫度下的值。表4.1電流為50時各種類型的PN結(jié)正向壓降（mV）測溫點型號2CP11編號11N4007編號2FG314050編號32CW117編號42CN2編號5S9014編號640℃351419165350338751845℃340407164049237650650℃328395162748136549455℃316383161447035348360℃303371160245934247065℃292360159144833145870℃281348157943632044675℃269336156842530843480℃257324155641429742285℃245312154540328541090℃232301153639227439795℃2192891526380263385100℃2072771514369252372105℃1952651503357240360110℃1822541491346229347將每一組的15個值又分成11組，每隔5為一組分為利用公式(4.1)S為靈敏度系數(shù)，計算出PN結(jié)在每一個溫度段內(nèi)的靈敏度系數(shù)如下表表4.2不同的PN結(jié)的靈敏度系數(shù)（mV/℃）S（mV/℃）溫度間隔S（mV/℃）溫度間隔樣本2CP111N4007FG3140502CW1172CN2S901440℃-45℃-2.2-2.4-2.6-2.2-2.2-2.445℃-50℃-2.4-2.4-2.6-2.2-2.2-2.450℃-55℃-2.4-2.4-2.6-2.2-2.4-2.255℃-60℃-2.6-2.4-2.4-2.2-2.2-2.660℃-65℃-2.2-2.2-2.2-2.2-2.2-2.465℃-70℃-2.2-2.4-2.4-2.4-2.2-2.470℃-75℃-2.4-2.4-2.2-2.2-2.4-2.475℃-80℃-2.4-2.4-2.4-2.2-2.2-2.480℃-85℃-2.4-2.4-2.2-2.2-2.4-2.485℃-90℃-2.6-2.2-1.8-2.2-2.2-2.690℃-95℃-2.6-2.4-2.0-2.4-2.2-2.495℃-100℃-2.4-2.4-2.4-2.2-2.2-2.6100℃-105℃-2.4-2.4-2.2-2.4-2.4-2.4105℃-110℃-2.4-2.2-2.4-2.2-2.2-2.6整體靈敏度系數(shù)S（40-110）-2.412-2.309-2.275-2.244-2.261-2.429S的最大偏差（mV/℃）0.1880.1090.3250.1560.1390.171偏差百分比（%）7.794.7214.286.956.157.034.2.2處理方法對處理結(jié)果中各參數(shù)的計算方法做一個說明：最大偏差是指各個溫度段的靈敏度系數(shù)與整體靈敏度系數(shù)的最大差值，這個差值除以平均靈敏度系數(shù)得到偏差百分比。通過用EXCEL中的“INTERCEPT”“SLOPE”“CORREL”三個函數(shù)可求得與溫度T的線性回歸方程，線性方程的斜率就是整體靈敏度系數(shù)。4.2.3測試結(jié)果分析如下從表4.1-4.2中可以發(fā)現(xiàn)7個被測量的PN結(jié)在各溫度間隔中的靈敏度系數(shù)存在一定的差異，但都比較接近在-2.5mV/℃—-2.2mV/℃的范圍內(nèi)，其中靈敏度系數(shù)最大的為S9014型三極管。圖4.1PN結(jié)在各溫度間隔中的靈敏度系數(shù)偏差百分比最小的為1N4007型二極管的偏差百分比在5%以內(nèi)，其他的偏差都較大，偏差最大的發(fā)光二極管達到了15%，這些數(shù)據(jù)說明其線性似乎不太理想。進一步分析我們會發(fā)現(xiàn)，計算整體靈敏度系數(shù)時的溫度間隔較大，由于正向壓降的測量誤差而引起的靈敏度系數(shù)誤差相對較小，本實驗所采用的儀器測量的最小刻度為1mV。前述的各溫度間隔較小，一般只有5℃—10℃，測量正向壓降時每1mV的測量誤差就可引起0.1mV/℃—0.2mV/℃的靈敏度誤差，這足可以產(chǎn)生各溫度間隔的靈敏度系數(shù)波動。增大溫度間隔可以降低由于正向壓降的測量誤差而引起的靈敏度系數(shù)的相對誤差，但溫度間隔選擇太小會影響實驗精度，這樣就使線性度的分析缺乏說服力。因此在選擇溫度間隔時，要綜合考慮相對誤差和實驗精度的影響。2CP11型二極管各溫度間隔的靈敏度系數(shù)偏差較大，很可能這是一個影響因素。另外上述說明各溫度間隔的靈敏度系數(shù)波動雖然偏大，但是圍繞著其整體靈敏度系數(shù)而波動的，說明PN結(jié)的線性度較好，線性相關(guān)系數(shù)都上大于0.99也印證了這一點。對于第三組數(shù)據(jù)發(fā)光二極管無論是偏差百分比還是平均靈敏度與整體靈敏度的差別都較明顯，顯然不能完全由實驗誤差來解釋。通過實驗結(jié)果可以看到發(fā)光二極管的線性不夠理想，誤差較大，應(yīng)此并不適于用作溫度傳感器。4.2.4總結(jié)根據(jù)上述分析和數(shù)據(jù)我們得出結(jié)論，在所有測試的樣品中，發(fā)二極管的靈敏度系數(shù)偏差最大，線性度最差不適于制作溫度傳感器。靈敏度偏差最小的為2CN2型二極管和1N4007型二極管。4.3同一種型號的3個二極管的溫度特性試驗分析4.3.1同一種型號的3個二極管的溫度特性數(shù)據(jù)選取3個2cp11來進行測量分析樣品因制作工藝、批次、環(huán)境等條件造成的離散性與溫度特性的關(guān)系。表4.33個2cp11的PN結(jié)正向壓降(mV)(mV)T（℃）4045505560657075808590951001051102cp11（1）3513403283163032922812692572452322192071951822cp11（2）3273143022902782672552432312202081961841721602cp11（3）358347335323311300288276264252240229217205193樣品S溫度間隔表4.43個2cp11的靈敏度系數(shù)樣品S溫度間隔2cp11（1）2cp11（2）2cp11（3）40℃—45℃-2.2-2.6-2.245℃—50℃-2.4-2.4-2.450℃—55℃-2.4-2.4-2.455℃—60℃-2.6-2.4-2.460℃—65℃-2.2-2.2-2.265℃—70℃-2.2-2.4-2.470℃—75℃-2.4-2.4-2.475℃—80℃-2.4-2.4-2.480℃—85℃-2.4-2.2-2.485℃—90℃-2.6-2.4-2.490℃—95℃-2.6-2.4-2.295℃—100℃-2.4-2.4-2.4100℃—105℃-2.4-2.4-2.4105℃—110℃-2.4-2.4-2.4整體靈敏度系數(shù)S（40—110）-2.412-2.368-2.361S的最大偏差0.1880.1680.161偏差百分比（%）7.797.096.814.3.2測試結(jié)果分析從表4.3和表4.4可以看出，同一型號的3個二極管的各個溫度點的PN結(jié)正向壓降并不相同。這提醒我們再用二極管作溫度傳感器的時候必須設(shè)定一個溫度的標(biāo)準(zhǔn)值，才能找到溫度與正向電壓值的對應(yīng)關(guān)系。靈敏度雖然是有一定的差異，但不大在0.05mV/℃左右。最大偏差都在7%左右說明2cp11的線性較好。圖4.2同一種型號的3個二極管的溫度特性第二組數(shù)據(jù)與第三組數(shù)據(jù)較為接近而與第一組數(shù)據(jù)有一定的差距，說明第一組數(shù)據(jù)可能存在一定的誤差。這種誤差可能是由于數(shù)據(jù)紀(jì)錄、實驗儀器或者是樣品本生的差異性的影響。4.3.3總結(jié)通過對比分析我們發(fā)現(xiàn)同一型號的不同二極管的靈敏度相差不大，最大偏差也接近。這說明2cp11型二極管在溫度特性方面的互換性較好，制作溫度傳感器時若采用同一型號的二極管PN結(jié)則相差不會太大。4.4二極管PN結(jié)升降溫過程可逆性試驗分析4.4.1二極管PN結(jié)升降溫可逆性數(shù)據(jù)選取一個2cw117型二極管，通過電流為50時，選取溫度范圍為40℃—110℃，每下降5℃作為一個測量點，測量出PN結(jié)的正向壓降。與升溫過程的值對比，分析PN結(jié)升溫過程與降溫過程可逆性的可逆性。表4.52cw117型二極管升溫和降溫時的值T（℃）404550556065707580859095100105110(mV)503492481470459448436425414403392380369357346T（℃）110105100959085807570656055504045(mV)348360371383394405417428439451462473485496507(mV)(℃)圖4.3升溫和降溫時與溫度的關(guān)系圖分別求出升溫過程和降溫過程的線性回歸方程，方程的參數(shù)如下表表4.6線性回歸處理的結(jié)果ab升溫過程-2.244593.321-0.99975降溫過程-2.269598.129-0.999984.4.2測試結(jié)果分析由EXCEL的處理結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)升溫時的靈敏度系數(shù)，線性相關(guān)系數(shù)和降溫時的相差不大。另外由表4.6可以看出對于每一個測試點的正向壓降值都相互接近，幾乎重合說明在測量的范圍內(nèi)，PN結(jié)正向壓降與溫度的線性關(guān)系具有可逆性，不會因是上升過程還是下降過程而改變。4.4.3總結(jié)有上述分析可知，PN結(jié)結(jié)正向壓降與溫度的線性關(guān)系具有很好的可逆性，符合制作溫度傳感器的要求。4.5同一種型號二極管在不同的恒定電流下的溫度特性分析選取2CN2型二極管作為測試樣本，分析在不的恒定電流下PN結(jié)的溫度特性會有什么變化。4.5.1試驗數(shù)據(jù)表4.72CN2型二極管在50和100時值12345678910111250()404550556065707580859095(mV)387376365353342331320308297285274263(mV)—-11-11-12-11-11-11-12-11-12-11-11S—-2.2-2.2-2.4-2.2-2.2-2.2-2.4-2.2-2.4-2.2-2.2100()404550556065707580859095(—mV)412401390379368356345334323311300289(mV)—-11-11-11-11-12-11-11-11-12-11-11()—-2.2-2.2-2.2-2.2-2.4-2.2-2.2-2.2-2.4-2.2-2.2根據(jù)數(shù)據(jù)在Excel中做溫度與正向壓降的關(guān)系(mV)(℃)圖4.4電流分別為50和100時溫度與PN結(jié)正向壓降的關(guān)系4.5.2測試結(jié)果分析從表4.8可以看出對于每一個測試點，電流為100時的值都比電流為50的要高。根據(jù)前文原理部分的2.2節(jié)的公式2.2.1-3可以得到通過PN結(jié)的電流I越大，則正向壓降也越大，實驗結(jié)果與理論相符。電流I（）處理結(jié)果表4.82CN2型二極管在電流為50和100時靈敏度系數(shù)的處理結(jié)果電流I（）處理結(jié)果50100整體靈敏度系數(shù)S（mV/℃）（40—110）-2.261-2.246S的最大偏差0.1390.154偏差百分比（%）6.156.85從表4.7和4.8可看出電流50時的整體靈敏度系數(shù)大，而由PN結(jié)正向壓降的理論公式（2.2.1-5）式可以看出I越大線性項的系數(shù)即靈敏度系數(shù)越大，實驗數(shù)據(jù)很好的印證了這一點。線性項偏差百分比也要比電流為50的大，說明電流在100的線性度稍差。在選擇溫度傳感器時我們要綜合考慮靈敏度和線性度選擇最適合的PN結(jié)。4.5.3總結(jié)上述分析表明正向電流不同，其靈敏度也不同，正向電流越大靈敏度越低，正向電流減小靈敏度增高。這一特性非常重要：可通過正向電流來微調(diào)靈敏度，同時可以由正向壓降直接測算靈敏度。根據(jù)這一特點可制出特殊的測溫調(diào)節(jié)器。4.6同一個二極管多次測量的溫度特性分析4.6.1試驗數(shù)據(jù)選取一個1N4007二極管測量6次，分析其溫度特性和可重復(fù)性。表4.91N4007型二極管6次測量的值2CN2型6次測量結(jié)果溫度次數(shù)4045505560657075808590951444432420408397385372360349337326314241940739538337136034833632431230128934023913793683563433313193072952832714413400388375364352340327316305293281545244042741440239037836635434333131964