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1、, 课程设计（论文）任务书 学 号学生姓名专业（班级）设计题目 PN结正向压降与温度关系的研究和应用设计技术参数 设计参数： 温度的精度：0.1 PN结的灵敏度:0.01 PN结的禁带宽度：0.01 设计要求 1.了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式； 2.在横流供电条件下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度； 3.了解不同控温电流和工作电流时PN结正向压降随温度变化的性质 3.学习用PN结测温的方法。工作量 15个工作日左右工作计划2013/7/08-2013/7/11 实验选题2013/7/12-2013/7/14 实验操作2013/7/15
2、-2013/7/17 实验论文2013/7/18-2013/7/20 论文检查和修饰参考资料1.杨素行.模拟电子技术基础M.北京.清华大学出版社，2006；2.张映辉. 大学物理实验M.机械工业出版社,2010.1.1;3.杭州大华.DH-SJ5温度传感器实验说明书J.杭州大华仪器研究所.2005.4.刘杰. PN结物理特性研究中的问题及处理J.北京电力高等专科学校.2009.6指导教师签字基层教学单位主任签字 年 月 日 , PN结正向压降与温度的关系的研究与应用 摘要:在恒流供电条件下，设计电路，写出实验原理，拟出实验步骤，进行测量。测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被
3、测PN结材料的禁带宽度。比较不同控温电流与工作电流下，PN结的性质。关键字：恒流供电；PN结；灵敏度；禁带宽度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 ju
4、nction 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:Con
5、stant current;power supply;p-n junction;sensitivity;forbidden band width1.引言 在实验中,采用硅三极管来代替硅二极管，复合电流主要在基极出现，三极管接成共基极线路（集电极与基极短接），集电极电流中不包含复合电流。 恒流源有两组，其中一组是用于加热，另一组用于提供工作电流。PN结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而获得了广泛的应用。2.PN结基本原理 2.1 PN结特性的测量由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN结的正向电流与正向电压满足以
6、下关系； =（exp-1） 式中e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，为反向饱和电流，它是一个与PN结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。由于在常温（300K）下，kT/q=0.026,而PN结的正向压降一般为零点几伏,所以于是有 这就是PN结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN结的关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T后,就可得到e/k常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k。2.2 PN结正向压降随温度变化灵敏度S的测量由物理学知，二极管的反向饱和电流与绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差有如下关系： 式中，r是常
7、数，C是与结面积、掺杂浓度等有关的参数，将式代式后两边取对数得 其中 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。 在恒流供电条件下，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结测温的依据。VFT的特性还随PN结的材料而异。略去非线性项，可得 T=-273.2K，即摄氏温标与凯尔文温标之差。 3.实验内容和数据分析 3.1 实验内容及数据记录 3.1.1测定曲线 将“加热电流”开关置“关”位，将“风扇电流”置开关置“关”位置，接上加热电源线和信号传输线，两个连线均为直插式
8、。用DH-VC1直流恒压源恒流源稳定电压，此时DH-SJ2型温度传感器实验装置数字万用表测试仪上将显示出室温,记录下起始温度,调节至记录下值。开启加热电流（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的和T。求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV/）。以T为横坐标，为纵坐标，作曲线，其斜率就是S。估算被测PN结的禁带宽度，将实验所得的与公认值电子伏比较，求其误差。 表1：PN结正向压降随温度的升温过程数据记录表 实验起始温度：=29.7 工作电流 =100起始温度为时的正向压降：= 464mV 控温电流:0.7A升温过程01020304050607080 29.735.140
9、.645.751.156.161.265.970.8T=(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 图1: PN结正向压降随温度的升温过程变化图 上图为升温过程，（1）从图中可得斜率S=-2.0733mV/，线性拟合系数R=-0.99942,即PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.0733mV/.斜率的
10、标准差为 =-0.0182mV/即=.所以PN结正向压降随温度变化的灵敏度的最终结果是 （2）被测PN结材料的禁带宽度。根据公式计算得= =1.18V 那么显然有Eg（0）= e=1.18eV，与公认值1.21比较有相对误差 表2 PN结正向压降与温度的降温过程的数据记录01020304050607080 31.236.041.547.051.957.162.166.870.3T=(273.2+T)K304.4309.2314.7320.2325.1330.3335.3340.0343.510011012013014015016017018075.280.084.789.193.698.210
11、2.8107.2T=(273.2+T)K348.4353.2357.9362.3366.8371.4376.0380.4 图2 PN结正向压降与温度的降温过程的变化图 修改了字体上图为降温过程，（1）从图中可得S=-2.11396mV/线性拟合系数R=-0.99942即PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.11396mV/.斜率的标准差=-0.0183mV/即=.所以PN结正向压降随温度变化的灵敏度的结果 （2）被测PN结材料的禁带宽度。那么根据公式计算得= =1.19V 那么显然有Eg（0）= Vgve=1.18eV，与公认值1.21比较有相对误差 3.1.2 不同加热电流时PN结的性质
12、 改变温度传感器的加温按钮，调节控温电流至0.5A，开启加热电流（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，比较控温电流0.7A时PN结灵敏度的不同。 表3 不同加热电流时PN结的正向压降与温度的特性实验起始温度：=27.4 工作电流=100起始温度为时的正向压降：= 534mV 控温电流:0.5A0102030405060708090 26.930.935.239.643.848.152.356.560.764.9T=(273.2+T)K300.1304.1308.4312.8317.0321.3325.5 329.7333.9338.110011012013014015016017018
13、019069.073.277.581.685.890.094.198.3102.5106.6T=(273.2+T)K342.2346.4350.7354.8359.0363.2367.3371.5375.7379.8 图3 不同加热电流时 PN结的正向压降与温度的特性 将图1（控温电流：0.7A）与图3（控温电流：0.5A）比较，当控温电流为0.7A时 PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.0733mV/。当控温电流为0.5A时PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.3810mV/.可得控温电流越高，PN结正向压降随温度变化的灵敏度越高。3.1.3不同工作电流时PN结的性质 改变工作电流
14、开启加热电流（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验。与工作电流=100比较，PN结的灵敏的的性质。 表4 不同工作电流时 PN结正向压降与温度的关系 实验起始温度：=31.9 工作电流：=300 起始温度为时的正向压降：= 538mV 控温电流: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
15、.195.299.5103.7107.9T=(273.2+T)K347.4351.6355.8360.0364.3368.4372.7376.9381.1 图4 不同工作电流PN结的正向压降与温度的关系 将图1（工作电流）与图4（工作电流)相比较。当工作电流=时PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.0733mV/。当工作电流时PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.365mV/可得工作电流越高，PN结的正向压降随温度变化的灵敏度越低 3.3 结果分析（1从图1，图2升温过程与降温过程的图像可得：在一定温度范围内PN结的正向压降与温度的变化呈线性关系，并且PN结的灵敏度较高。从图3，图4不
16、同控温电流和不同工作电流下PN结的灵敏度变化可得：PN结受温度的影响较大，测温范围存在一定的局限性。 （2）误差分析 我所操作的实验仪器升温较慢，所以实验过程中，为了加快升温速度，采用了较大的电流值。可以从数据记录中看到。但是实验中为求精确，应该缓慢地升高电流值，这样使得得到的数据会影响所测得数据的线性关系，使的测得的结果有误差。 降温过程非常缓慢，为使其加速，采取了一些不正规的操作。如开窗吹风，或扇风。这样造成待测结材料的受热不均，所以它不是在均匀条件下自然冷却，所以使实验结果出现误差。 4.结论 PN结的性质：PN结具有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，但同时PN结测温范围的局限性较大，有待于进一步的开发与研究。此实验由于采用较大的控温电流和PN结受热不均匀等原因造成实验误差。实验的改进方法：将实验的温度控制在120以内，以免温度过高造成PN结呈现非线性，同时采用较小的控温电流，使PN结的温度缓慢上升。参考文献1杨素行.模拟电子技术基础M.北京.清华大学出版社2006.1-82张映辉. 大学物理实验M.机械工业出版社.2010.227-23 3杭州大华.DH-SJ5温度传感器实验说明书J.杭州大华仪器研究所.2005.15-184刘杰. PN结物理特性研究中的问题及处理J.北京电力高等专科学校.2009.6-7