PN结正向压降与温度的关系的研究与应用.docx
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PN结正向压降与温度的关系的研究与应用
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°C
PN结的灵敏度:
0.01〃】V/℃
PN结的禁带宽度:
O.Ol^V
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PX结正向压降随温度变化的性质
4.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——2013/7/17实验论文
2013/7/18——2013/7/20论文检查和修饰
2
参考资料
1.杨素行.模拟电子技术基础[M]..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
程设计说明内
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PM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。
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
PNjunctionisastudytherealationshipofpressuredropwith
temperatureandapplication
Abstract:
Undertheconditionofconstantcurrentpowersupply.circuitdesign,experimentalprinciple,drawuptheexperimentalstepsahdmeasurements.P-njunctionpositivepressuredropwithtemperraturechangcurveofsurveyingandmapping.andthusdeterminethesensitivityandthep-njunctionbeingmeasuredmaterialsforbiddenbandwidth.Comparediffreenttemperaturecontrolelectriccurrentandworkflowjhenatureofthep-njunction.
Keyword:
Constantcurrent;powersupply;p-njunction;sensitivity;forbiddenbandwidth
1.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
2.1PN结,-%特性的测量
由半导体物理学中有关PN结的研究可以得出然结的正向电流•与正向电压匕满足以下关系;
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P\结的正向压降一般为零点儿伏,所以于是有
IF=Isexp-j-^-
(2)
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〃-匕.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ko
2.2PN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/S与绝对零度时P\结材料的导带底和价带顶间的电势差匕(0)有如下关系:
/.=bexp[__"1(0)](3)
LkT_
⑶式中,r是常数,C是与结面积、掺杂浓度等有关的参数,将⑶式代⑴式后两边取对数得
kckT
VF=V(0)-(-In—)T——In厂=匕+匕/⑷
€1pc
其中匕=匕一(Ain二)T
eIr
kT
InTr
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I『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%,即正向压降几乎随温度升高而线性下降,这就是PY结测温的依据。
V-T的特性还随PN结的材料而异。
略去非线性项,可得
匕=匕、(0)+AT=匕(273.2)+SA7
AT=-273.2°K,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^丫一丁曲线
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。
mDH-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。
,记录下起始温度勿,〃调节至"=100以记录下打、(7>)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△1/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,AV为纵坐标,作AV-T曲线,其斜率就是S。
估算被测”结的禁带宽度,将实验所得的反(0)与公认值反(0)=1.21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:
Tr=29.7℃工作电流If=1QQuA
起始温度为八•时的正向压降:
W(T«)=464mV控温电流:
0.7A升温过程
^V/mV
0
-10
-20
-30
-40
—50
—60
-70
-80
T!
℃
29.7
35.1
40.6
45.7
51.1
56.1
61.2
65.9
70.8
1=(273.2
+T)°K
302.9
308.3
313.8
318.9
324.3
329.3
334.4
338.9
344.0
△V/mV
-90
-100
-110
-120
-130
-140
-150
-160
-170
T/℃
75.5
80.2
84.7
89.3
93.7
98.3
102.7
107.2
1=(273.2
+T)°K
348.7
353.4
357.9
362.5
366.9
371.5
375.9
380.4
2030405060708090100110
温度T(K)
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,3)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/℃.斜率的标准差为
Sm二、|’(二-l)/(n-2)xm=(),内产T)般7-2)x(-2.0733)=-0.0182mV/℃即
Sn=-L82xlO-,?
V/℃.所以PN结正向压降随温度变化的灵敏度的最终结果是
5=-(2.07±1.9x10-3)/»V/*C
(2)被测PN结材料的禁带宽度。
根据公式计算得
Vf(0)
匕=Vf(0)+——-AT=Vf(273.2)+SST=0.613V+(-2.0733)x(-273.2)/1000
=1.18V那么显然有瓦(0)=匕e=1.18eV,与公认值1.21比较有相对误差
A\ES(TS)-E(TS)\11.18-1.211…
E(TS)E(TS)1.21
表2PN结正向压降与温度的降温过程的数据记录
T/℃
31.2
36.0
41.5
47.0
51.9
57.1
62.1
66.8
70.3
T=(273.2+T
)0K
304.4
309.2
314.7
320.2
325.1
330.3
335.3
340.0
313.5
SV/mVo
-10-20-30-40
-50-60-70-80
SV/mV
-100
-no
一120
一130
-110
-150
-160
-170
-180
T/℃
75.2
80.0
84.7
89.1
93.6
98.2
102.8
107.2
T=(273.2+T
)0K
348.4
353.2
357.9
362.3
366.8
371.4
376.0
380.4
△V(mV)
LinearFitofSheetlB
5060708090100110
温度T(K)
图2PN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S,n=二一1)/(〃-2)xm=、,(—():
op」—1)*7一2)x(-2.11396)=-0.0183mV/℃即S”=-1.83x10-3〃W/℃.所以pN结正向压降随温度变化的灵敏度的结果5=-(2.11±1.9x10-3>V/,C
(2)被测PN结材料的禁带宽度。
那么根据公式计算得
匕=Vf(0)+AT=0(273.2)+SAT=0.613V+(-2.11396)x(-273.2)/1000
=1.19V那么显然有Ee(0)=VIve=l.18eV,与公认值1.21比较有相对误差
AI纥(乙)一七(4)1II.19-1.211
EgE(TS)1.21
3.1.2不同加热电流时PN结的性质
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
AV/mV
0
10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
T/℃
26.9
30.9
35.2
39.6
43.8
48.1
523
56.5
60.7
64.9
T=(273.2+T)
°K
300.1
304.1
308.4
312.8
317.0
321.3
325.5
329.7
333.9
338.1
AV/mV
-100
-no
-120
-130
-140
-150
-160
-170
一180
-190
T/℃
69.0
73.2
77.5
81.6
85.8
90.0
94.1
98.3
102.5
106.6
T=(273.2+T)
°K
342.2
346.4
350.7
354.8
359.0
363.2
3673
371.5
375.7
379.8
起始温度为八时的正向压降:
W(T/e)=534mV
控温电流:
0.5A
290300310320330340350360370380390
温度T(K)
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/C。
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。
与工作电流入二1001泊比较,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:
Tr=31.9℃工作电流:
h=300uA
起始温度为时的正向压降:
W(T/e)=538mV控温电流:
0.7A
AV/mV
0
10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
T/℃
31.9
35.7
40.3
44.6
48.9
53.2
573
61.7
65.8
70.0
T=(273.2+T)
305.1
308.9
313.5
317.8
322.1
326.4
330.6
334.9
339.0
343.2
AV/mV
-100
-no
-120
-130
-140
-150
-160
-170
-180
一190
T/℃
74.2
78.4
82.6
86.8
91.1
95.2
99.5
103.7
107.9
T=(273.2+T)
347.4
351.6
355.8
360.0
364.3
368.4
372.7
376.9
381.1
°K
-200I।!
।।।।।(r(।।।।।■।(।
300310320330340350360370380390
温度T(K)
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〃=100〃4)与图4(工作电流〃=300山)相比较。
当工作电流〃==100〃A时PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.0733mV/℃o当工作电流〃=300“A时PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.365mV/℃可得
燕山大学课薛设计说明书工作电流越高,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小,-7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PN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,使然结的温度缓慢上升。
参考文献
[1]杨素行.模拟电子技术基础区]..清华大学出版社2006.1-8[2]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.2005.15-18[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.2009.6-7
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- PN 正向 温度 关系 研究 应用