pn結(jié)溫度傳感器性能的實驗研究-畢業(yè)設計

1、<p>　　PN結(jié)溫度傳感器性能的實驗研究</p><p>　　學生XX 指導教師：XX </p><p>　　內(nèi)容摘要：本課題通過實驗對不同類型的半導體PN結(jié)器件進行正向壓降與溫度特性的測量，獲取實驗數(shù)據(jù)，通過整理、分析、比較、綜合實驗數(shù)據(jù)，從中比較各器件靈敏度，線性度的優(yōu)劣，為合理選用PN結(jié)溫度傳感器提供依據(jù)。主要分析了不同型號的二極管的溫度特性

2、，同一種型號的3個二極管的溫度特性分析，同一種型號二極管在不同的恒定電流下的溫度特性和同一個二極管多次測量的溫度特性，主要測量型號有2CP11，1N4007型二極管，F(xiàn)G314050型發(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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PN結(jié) 溫度傳感器 線性度</p><p>　　Study for PN junct

3、ion sensor experimental performance of the temperature</p><p>　　Abstract: It is used to measure forward voltage drop and temperature characteristic of different type's PN semiconductors in order to obtai

4、n the data of experiment. By neatening, analyzing, comparing, synthesizing data, it is a comparison of these component about the strengths and weaknesses of response rate and linearity in order to provide for reason of l

5、egitimately choosing PN junction temperature transmitter.The experiment analyses temperature characteristic of different model diodes,the tem</p><p>　　Keywords: PN junction temperature sensor linearity&l

6、t;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p>　　1 課程設計介紹1</p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 課程設計構(gòu)成和研究內(nèi)容1</p><p

7、>　　2 PN結(jié)溫度傳感器的原理2</p><p>　　2.1 半導體PN結(jié)及其導電性能2</p><p>　　2.2 PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系3</p><p>　　2.2.1 公式推導3</p><p>　　2.2.2 非線性誤差分析4</p><p>　　2.2.3 PN結(jié)溫度傳感器

8、的主要技術(shù)參數(shù)5</p><p>　　3 PN結(jié)溫度傳感器的實驗研究6</p><p>　　3.1 實驗情況介紹6</p><p>　　3.2 實驗數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析7</p><p>　　3.2.1 不同型號的二極管的溫度特性分析7</p><p>　　3.2.2 同一種型號的3個二極管的溫度特性分析

9、10</p><p>　　3.2.3 二極管PN結(jié)升溫過程與降溫過程可逆性的分析11</p><p>　　3.2.4 同一種型號二極管在不同的恒定電流下的溫度特性分析13</p><p>　　3.2.5 同一個二極管多次測量的溫度特性分析15</p><p>　　3.2.6 用ESCORT臺式精密萬用表測量PN結(jié)正向壓降16

10、</p><p>　　3.3 PN結(jié)溫度傳感器的設計17</p><p>　　3.4 PN結(jié)溫度傳感器的特點18</p><p><b>　　4 結(jié)束語19</b></p><p><b>　　附錄21</b></p><p><b>　　參考文獻2

11、2</b></p><p>　　PN結(jié)溫度傳感器性能的實驗研究</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　PN結(jié)溫度傳感器是一種體積小，檢溫準確、操作方便的溫度計量器具，它適應不同溫度區(qū)域的檢溫要求。在科研、化工，制藥，冷藏、供暖和糧食儲存等領(lǐng)域中得到廣泛應用。而PN結(jié)溫度傳感器是利用PN特性研的，它是一種半導體

12、敏感器件, 實現(xiàn)溫度與電壓的轉(zhuǎn)換。在常溫范圍內(nèi)兼有熱電偶，鉑電阻，和熱敏電阻的各自優(yōu)點，同時它克服了這些傳統(tǒng)測溫器件的某些固有缺陷，是自動控制和儀器儀表工業(yè)不可缺少的基礎元器件之一。</p><p><b>　　1 畢業(yè)設計介紹</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　隨著半導

13、體工藝水平的不斷提高和發(fā)展，半導體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)，它的應用受到了極大限制，進入二十世紀七十年代以來，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，而半導體PN

14、結(jié)屬于負溫度系數(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，需要設置參考點；而熱敏電阻體積小，靈敏度高，熱響應速度快，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。

15、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)。</p><p>　　1.2 畢業(yè)設計構(gòu)成和研究內(nèi)容</p><p>　　此論文由緒論、PN結(jié)溫度傳感器的原理、PN結(jié)溫度傳感器的實驗研究、結(jié)論、結(jié)束語、致謝、附錄、參考文獻八個部分組成。研究內(nèi)容有如下：半導體PN結(jié)及其導電性能、PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系、非線性誤差、不同型號的二

16、極管的溫度特性分析、同一種型號的3個二極管的溫度特性分析、二極管PN結(jié)升溫過程與降溫過程可逆性的分析、同一種型號二極管在不同的恒定電流下的溫度特性分析、同一個二極管多次測量的溫度特性分析、PN結(jié)溫度傳感器的設計、PN結(jié)溫度傳感器的特點。</p><p>　　2 PN結(jié)溫度傳感器的原理</p><p>　　2.1 半導體PN結(jié)及其導電性能</p><p>　　PN

17、結(jié)（PN junction）：采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。具體分析如下：在P型半導體中有許多帶正電荷的空穴和帶負電荷的電離雜質(zhì)，在電場的作用下，空穴是可以移動的，而電離雜質(zhì)（離子）是固定不動的。N 型半導體中有許多可動的負電子和固定的正離子。當P型和N型半導體接觸時，在界面附近空穴從P型半導體向N型半導體擴散，電子從N型半導體

18、向P型半導體擴散?？昭ê碗娮酉嘤龆鴱秃希d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，稱為空間電荷區(qū)。P 型半導體一邊的空間電荷是負離子，N 型半導體一邊的空間電荷是正離子。正負離子在界面附近產(chǎn)生電場，這電場阻止載流子進一步擴散，達到平衡。一塊單晶半導體中 ，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導體時，P 型半導體和N型半導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)

19、和異質(zhì)結(jié)兩種。用同一種半導體材料制成的 PN 結(jié)叫同質(zhì)結(jié)，由禁帶寬度不同的兩種半導體材料制成的PN結(jié)叫異質(zhì)結(jié)。如圖2</p><p>　　圖2.1-1 PN結(jié)的形成過程</p><p>　　PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。如果外加電壓使PN結(jié)P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位稱為加正向電壓，簡稱正偏；PN結(jié)P區(qū)的電位低于N區(qū)的

20、電位稱為加反向電壓，簡稱反偏。</p><p>　　■ PN結(jié)加正向電壓時的導電情況</p><p>　　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。</p><p>　　■ PN結(jié)加反向電壓時的導電情況</p

21、><p>　　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2.1-2為PN結(jié)單向?qū)щ娦允疽鈭D：</p><p>　　2.1-2 PN結(jié)單向?qū)щ娦?lt;/p><p>　　2.2 PN結(jié)正向

22、壓降與溫度的關(guān)系</p><p>　　2.2.1 公式推導</p><p>　　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</p><p><b>　　（2.2.1-1）</b></p><p>　　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)境的熱力學溫度。當T 在250～

23、430K時，>>1，則上式可變?yōu)?lt;/p><p><b>　?。?.2.1-2）</b></p><p>　　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溫度T 有關(guān)的函數(shù)，即</p><p><b>　?。?.2.1-3）</b></p><p>　　其中C是與PN 結(jié)的結(jié)

24、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，不同材料的半導體不同。鍺0.7-0.8eV，硅為1.1-1.2eV。</p><p>　　將(2.2.1-3) 式代入(2.2.1-2) 式得</p><p><b&g

25、t;　?。?.2.1-4）</b></p><p>　　對（2.2.1-4）式兩邊取對數(shù)并整理得</p><p><b>　　（2.2.1-5）</b></p><p>　?。?.2.1-5）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。</p><p>　　令I(lǐng)=常數(shù)，則與溫度T為線性關(guān)

26、系，而（2.2.1-5）式中還包含非線性項。</p><p>　　2.2.2 非線性誤差分析</p><p>　　下面來分析一下由引起的非線性誤差。由（2.2.1-5）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。</p><p>　　設溫度為變?yōu)闀r，正向壓降由變

27、為，則由（2.2.1-5）式可得</p><p><b>　?。?.2.2-1）</b></p><p>　　按照理想的線性溫度響應，應取如下形式</p><p><b>　　（2.2.2-2）</b></p><p>　　其中為曲線的斜率，且溫度為和T時值相等</p><p&g

28、t;　　由（2.2.1-5）式得</p><p><b>　?。?.2.2-3）</b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　?。?.2.2-4）</b></p><p>　　比較（2.2.2-4）和（2.2.1-5）式，可得實際對線性的理論誤差

29、為</p><p><b>　?。?.2.2-5）</b></p><p>　　設， ，取r=3.4，由（2.2.1-10）式計算可得=0.048 mV，而相應的值改變?yōu)?0mV，相對誤差百分比為0.24%，相比之下誤差甚小。</p><p>　　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

30、，這就是PN結(jié)測溫的理論依據(jù)。</p><p>　　2.2.3 PN結(jié)溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)</p><p><b>　　■ 極限參數(shù)</b></p><p>　　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℃。</p><p>　　最低工作溫度：是指

31、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。</p><p><b>　　■ 線性度</b></p><p>　　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%。</p><p><b>　　■ 靈敏度<

32、;/b></p><p>　　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-2.10 mV/℃。</p><p><b>　　■ 互換偏差</b></p><p>　　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

33、大偏差，這個電壓偏差通常按-2.10 mV/℃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，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、重復性如何。</p><p><b>　　■ 時間常數(shù)</b></p><p>　　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)，它的定義應適用于熱敏電阻

34、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。</p><p><b>　　■ 穩(wěn)定度 </b></p><p>　　PN結(jié)溫度傳感器的穩(wěn)定度是描述

35、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)。</p><p>　　3 PN結(jié)溫度傳感器的實驗研究</p><p>　　3.1 實驗情況介紹</p><p><b>　　■ 實驗儀器介

36、紹</b></p><p>　　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定溫度范圍為（30℃—120℃），設定溫度的最設定值為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0.01 mV。</p>&l

37、t;p><b>　　■ 實驗樣品介紹</b></p><p>　　本實驗課題要求對不同的半導體材料、不同的半導體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。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

38、，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）。</p><p><b>　　■ 測試范圍介紹</b></p><p>　　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。</p><p>　　3.2 實驗數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析</p><p&g

39、t;　　3.2.1 不同型號的二極管的溫度特性分析</p><p>　　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。</p&

40、gt;<p>　　表3.2.1-1 電流為50時各種類型的PN結(jié)正向壓降（mV）</p><p>　　將每一組的15個值又分成11組，每隔5為一組分為</p><p><b>　　利用公式</b></p><p><b>　　(3.2.1-1)</b></p><p>　　S為靈敏度

41、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</p><p>　　表3.2.1-2 不同的PN結(jié)的靈敏度系數(shù)（mV/℃）</p><p>　　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“IN TERCEPT” “SLOPE” “CORREL”三個函數(shù)可求得與溫

42、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)。</p><p><b>　　測試結(jié)果分析如下</b></p><p>　　■ 從表3.2.1-2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-2.5 mV/℃—-2.2 mV/℃的范圍內(nèi)，其中靈敏度系數(shù) 最大的為S9014型三極管。</p><p>

43、　　■ 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。</p><p>　　■ 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

44、起0.1 mV/℃—0.2 mV/℃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

45、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。</p><p>　　■ 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，應此并不適于用作溫度傳感器。</p><p>　　■ 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

46、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。</p><p>　　3.2.2 同一種型號的3個二極管的溫度特性分析</p><p>　　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。</p><p>　　表3.2.2-1 3個2cp11的PN結(jié)正向壓降(

47、mV)</p><p>　　表3.2.2-2 3個2cp11的靈敏度系數(shù)（mV/℃）</p><p><b>　　測試結(jié)果分析</b></p><p>　　■ 從表3.2.2-1和表3.2.2-2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定一個溫度的標準值，才能找到溫度與正

48、向電壓值的對應關(guān)系。靈敏度雖然是有一定的差異，但不大在0.05 mV/℃左右。最大偏差都在7%左右說明2cp11的線性較好。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)紀錄、實驗儀器或者是樣品本生的差異性的影響。</p><p>　　■ 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

49、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。</p><p>　　3.2.3 二極管PN結(jié)升溫過程與降溫過程可逆性的分析</p><p>　　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。</p&

50、gt;<p>　　表3.2.3-1 2cw117型二極管升溫和降溫時的值</p><p><b>　　(mV)</b></p><p><b>　　(℃)</b></p><p>　　圖3.2.3-1 升溫和降溫時與溫度的關(guān)系圖</p><p>　　分別求出升溫過程和降溫過程的線性

51、回歸方程，方程的參數(shù)如下表</p><p>　　表3.2.3-2 線性回歸處理的結(jié)果 </p><p><b>　　測試結(jié)果分析</b></p><p>　　■ 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。另外由圖3.2.3-1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)，P

52、N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。</p><p>　　■ 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。</p><p>　　3.2.4 同一種型號二極管在不同的恒定電流下的溫度特性分析</p><p>　　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

53、溫度特性會有什么變化。</p><p>　　表3.2.4-1 2CN2型二極管在50和100時值</p><p>　　根據(jù)數(shù)據(jù)在Excel中做溫度與正向壓降的關(guān)系</p><p><b>　　(mV)</b></p><p><b>　　(℃)</b></p><p>　　

54、圖3.2.4-1 電流分別為50和100時溫度與PN結(jié)正向壓降的關(guān)系</p><p><b>　　測試結(jié)果分析</b></p><p>　　■ 從表3.2.4-1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。</p>

55、<p>　　表3.2.4-2 2CN2型二極管在電流為50和100時靈敏度系數(shù)的處理結(jié)果</p><p>　　■ 從表3.2.4-2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

56、擇最適合的PN結(jié)。</p><p>　　■ 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。</p><p>　　3.2.5 同一個二極管多次測量的溫度特性分析</p><p>　　選取一個1N4007

57、二極管測量6次，分析其溫度特性和可重復性。</p><p>　　表3.2.5-1 1N4007型二極管6次測量的值</p><p>　　表3.2.5-2 6次測量的統(tǒng)計結(jié)果</p><p><b>　　測試結(jié)果分析</b></p><p>　　■ 靈敏度系數(shù)平均值 </p><p>　　mV/

58、℃ (3.2.5-1)</p><p><b>　　■ 標準差</b></p><p>　　mV/℃ (3.2.5-2)</p><p><b>　　■ 平均標準差</b></p><p>　　mV/℃ (3.2.5-3)</p><p

59、>　　■ 相對標準不確定度</p><p><b>　　(3.2.5-4)</b></p><p>　　■ 總結(jié)：分析結(jié)果表明，相對不確定度僅為0.335%， 2CN2型二極管多次測量的靈敏度和線性度的相差都不大，表明1N4007可重復性較好，可用來重復測量溫度，符合溫度傳感器對可重復性的要求。</p><p>　　3.2.6 用ESC

60、ORT臺式精密萬用表測量PN結(jié)正向壓降</p><p>　　PJ-PNW-I型PN結(jié)正向壓降溫度測量儀自帶的電壓測量表為mV表，下面分析若換用ESCORT臺式精密萬用表來測量1N4007型二極管的正向壓降，是否能減小誤差。</p><p>　　表3.2.6-1 用ESCORT臺式精密萬用表測量2CN2型二極管</p><p>　　表3.2.6-2 用不同電壓表測

61、量PN結(jié)正向壓降的數(shù)據(jù)處理結(jié)果</p><p><b>　　結(jié)果分析</b></p><p>　　■ 由表3.2.6-2可以看出，換用ESCORT數(shù)字萬用表測量，最大偏差百分比用PJ-PNW-I型PN結(jié)正向壓降溫度測量儀測量的結(jié)果要低約1%，說明換用精密測量儀器后可減小誤差，使測量結(jié)果更準確。</p><p>　　■ 上述分析表明，如果在對溫度

62、精度要求較高的場合，可以改進本實驗的實驗裝置，換用精度更高的測量儀器對溫度的正向壓降進行測量。</p><p>　　3.3 PN結(jié)溫度傳感器的設計</p><p>　　通過上述幾節(jié)的分析，說明二極管PN結(jié)的靈敏度，一致性，可重復性都能滿足溫度傳感器的要求。下面就利用二極管PN結(jié)具體設計一個PN結(jié)傳感器，就以J—8型二極管為例。由3.3.1節(jié)的表3.3.1-2可以知道1N4007型二極管靈

63、敏度的最大偏差為4.72%，說明1N4007型二極管的正向壓降與溫度具有良好的線性關(guān)系，公式2.2.1-5中的非線性項可被忽略?？傻玫絇N結(jié)正向壓降與溫度的近似關(guān)系</p><p><b>　　(3.3-1)</b></p><p>　　通過上述的實驗數(shù)據(jù)分析可得1N4007型二極管的平均靈敏度系數(shù)S為2.309mV/℃，溫度為40℃，通過的電流為50時，PN結(jié)的正向

64、壓降為419 mV。</p><p>　　根據(jù)公式（3.3-1）可得</p><p><b>　　(3.3-2)</b></p><p>　　由（3.3-2）式減去（3.3-1）式并整理得</p><p><b>　　(3.3-3)</b></p><p>　　式3.3-3便

65、是我們設計PN結(jié)溫度傳感器的原理，實際測量中，以40℃為溫度的起始點只需測量出正向壓降值就可以測量出溫度。帶入初始溫度40℃，正向壓降得</p><p><b>　?。?.3-4）</b></p><p>　　設計的溫度計原理圖如下圖：</p><p>　　圖3.3-1 PN結(jié)溫度傳感器的設計電路圖</p><p>　

66、　本傳感器采用的是mV表來測量二極管，mV表的最小刻度為1mV由（2.2.2-5）式可知道溫度T能夠達到的精度則為，約為0.4℃。對測溫要求不很高的場合，如用于空調(diào)、冰箱等的測溫，完全可以滿足要求。</p><p>　　3.4 PN結(jié)溫度傳感器的特點</p><p><b>　　■ 靈敏度高 </b></p><p>　　PN結(jié)溫度傳感器靈

67、敏度可高達-2 mV/℃— -3 mV/℃，而EU-2熱電偶的測溫靈敏度為40—43 V/℃，EA—2熱電偶的測溫靈敏度為70—100 V/℃。相比之下硅PN結(jié)得令名都要高出熱電偶20—50倍。由于靈敏度高，抗干擾能力強，這樣可以大大簡化顯示儀器的抗干擾電路和放大電路。</p><p><b>　　■ 線性度好 </b></p><p>　　熱電偶和熱電阻是非線性元

68、件，在精確測量中必須進行線性化處理。而PN結(jié)只要正向工作電流選擇得當，可以在很寬的測量范圍內(nèi)做到基本線性這樣顯示儀器就不須要加線性化電路，不但時指針儀表獲得線性的均勻刻度，還特變適用于與數(shù)字儀表配合使用。另外， 還有其他的一些提高線性度的方法，目前行之有效的方法大致有兩種。第一：利用對管的兩個be結(jié)將三極管的基極與集電極短路，與發(fā)射極組成一個結(jié)，分析在不同電流，下工作， 由此獲得兩者電壓之差-與溫度成線性函數(shù)關(guān)系，即由于晶體管的參數(shù)有一

69、定的離散性，實際與理論仍存在差距，但與單個PN結(jié)的線性度和精度均有所提高，這種電路結(jié)構(gòu)與恒流、放大等電路集成一體，構(gòu)成集成電路溫度傳感器。第二：Okira Obte等人提出的采用電流函數(shù)發(fā)生器來消除非線性誤差由（2.2.1-5）式可知， 非線性誤差來自項，利用函數(shù)發(fā)生器使I比例例于絕對溫度的次方， 則-T的線性理論誤差為=0， 實驗結(jié)果與理論值頗為一致，其精度可達0.01℃。</p><p><b>　

70、　■ 響應時間小</b></p><p>　　由于PN結(jié)的體積小，所以熱容量很小，熱平衡時間極短，因此響應時間很快很容易達到0.1到—10秒級</p><p>　　■ 測溫靈敏度可以通過電流來調(diào)整</p><p>　　在試驗中發(fā)現(xiàn)對一同一個硅PN結(jié)，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

71、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。另外PN結(jié)還具有體積小、穩(wěn)定性好、抗磁場干擾能力強等優(yōu)點。</p><p><b>　　4 結(jié)束語</b></p><p>　　本課題對不同的半導體材料、不同的半導體PN結(jié)器件(二極管類型)，主要測量型號有2cp11，1N4007型二極管，F(xiàn)G314050型發(fā)光二極管，2CW11

72、7型二極管，普通的2CN2型二極管以及用來作對照實驗的S9014型三極管。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，主要研究PN結(jié)靈敏度以及線性度的差異，為合理選用PN結(jié)制做溫度傳感器提供選擇依據(jù)。</p><p>　　實驗結(jié)果表明用二極管PN結(jié)的溫度特性做常規(guī)范圍內(nèi)的溫度傳感器，其靈敏度相對誤差，標準差，線性誤差等各種誤差都在7%左右，而且溫度靈敏度系數(shù)S較大，都在-2.3mV左右，二極管PN結(jié)的離散

73、型、可重復性、可逆性都能符合溫度傳感器的要求。對測溫精度要求不很高的場合，不失為一種廉價的溫度傳感器。通過對實驗數(shù)據(jù)的對比分析，我們發(fā)現(xiàn)不同型號的二極管的溫度特性有一定的差別，在所有測量的二極管中1N4007型二極管的性能最好最適于用作溫度傳感器。而發(fā)光二極管的性能最差，不適用于作溫度傳感器。</p><p>　　大學生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當我寫完這篇畢業(yè)設計的時候，有一種如釋重負的感覺，感

74、慨良多。</p><p>　　首先感謝我的母校為我們提供了良好的學習環(huán)境，使我們能在這里專心學習，陶冶情操。通過大學四年的學習，我開拓了自己的視野，夯實了自己的專業(yè)知識，與同學之間建立了良好的人際關(guān)系。感謝我們系的系主任XX，感謝他為我們學習進行指導，同時感謝我們的輔導員，為我們學生所做的一切。在這次做畢業(yè)設計時，XX和XX老師給與了此畢業(yè)設計的指導工作，并且提出我畢業(yè)設計當中的錯誤，使我受益匪淺。在此謹向?qū)O活和

75、段恒利老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。</p><p>　　另外，我必須感謝我的父母。焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報。作為他們的孩子，我秉承了他們樸實、堅韌的性格，也因此我有足夠的信心和能力戰(zhàn)勝前進路上的艱難險阻；也因為他們的日夜辛勞，我才有機會如愿完成自己的大學學業(yè)，進而取得進一步發(fā)展的機會。</p><p>　　最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！</p&

76、gt;<p>　　附錄：PN結(jié)溫度傳感器的設計電路圖</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 周克省、趙新聞、胡照文：大學物理實驗教程，中南大學出版社，2001.4，P120-P128</p><p>　　[2] 趙洪濤：PN結(jié)溫度傳感器原理及應用，電子工程師，2006.7，P66-P68<

77、;/p><p>　　[3] 李海寶：PN結(jié)正向電壓與溫度關(guān)系實驗中的實際問題，大學物理實驗，2005.4，P33-P35</p><p>　　[4] 王治昆、旭東：PN結(jié)傳感原理線性化分析，河北建筑科技學院學報，2005.3，P1-P5</p><p>　　[5] 梁國偉：二極管PN結(jié)溫度特性的實驗研究，計量技術(shù)，2002.8，P3-P5</p><

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