低溫好，高溫影響測量結果PN接面正向壓降與溫度關係的研究 從二十世紀六十年代起開始發展的PN接面感測器具有靈敏度高、線性好、熱響應快和體小輕巧等特點，尤其在溫度數字化、溫度控制以及微機進行溫度實時訊號處理等方面有很強的相對優勢。常用的溫度感測器有熱電偶、測溫電阻器和熱敏電阻等，它們根據各自的特點分別適用於不同的場合。本實驗是為介紹PN接面溫度感測器的工作原理而設定的，是集電學和熱學為一體的綜合性實驗。 一、實驗目的 1．瞭解PN接面的正向壓降隨溫度變化的基本關係。 2．測繪恆流時PN接面的正向壓降隨溫度變化的關係曲線，並由此確定其靈敏度和被測PN接面材料的禁頻寬度。 3．學習用PN接面測溫的方法。 二、實驗原理 1．PN接面 現代技術是和半導體的應用分不開的，常用半導體材料有矽和鍺。矽和鍺是4價元素，當在矽或鍺中摻入5價元素(如磷、砷)的原子時，半導體中的自由電子數大大超過缺少電子的空穴數，這種半導體就稱為電子型半導體，也叫N型半導體；當在矽或鍺中摻入3價元素(如鋁、銦)的原子時，半導體中的空穴數大大超過電子數，這種半導體就稱為空穴型半導體，也叫P型半導體。如果在一塊半導體的兩部分分別摻以3價和5價元素的原子，便形成P型半導體和N型半導體，在P型和N型半導體的接界處就形成了PN接面。 2.PN接面的測溫原理 PN接面重要的獨特效能是它只允許單向電流透過。如圖7.11（a）所示，將PN接面的P區連線電源正極，N區連線電源負極時(這種聯結叫做正向偏置)，即電壓為正向電壓時，在PN接面中就形成了正向電流IF，正向電流隨正向電壓的增大而迅速增大；如果像圖7.11(b)那樣，將PN接面的P區與電源負極相連，N區與電源正極相連時(這種聯結叫做反向偏置)，即電壓為反向電壓時，在PN接面中則產生微弱的反向電流，這微弱反向電流隨著反向電壓的增大而很快達到飽和，稱為反向飽和電流Im。由此可見，PN接面只有在正向偏置時才有電流透過，這就是PN接面的單向導電性。 理想的PN接面正向電流IF和壓降VF存在如下近似關係⎟⎠⎞⎜⎝⎛=KTqVIIFmFexp（1） 式中，q為電子電量，K=1.38×10－23J•K-1為玻爾茲曼常數，T為熱力學溫度，Im為反向飽和電流，它的大小 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=KTqVCTIgm)0(expγ（2） 其中C是與半導體截面積、摻雜濃度等因素有關的常數；γ是熱學中的比熱比，也是一個常數；Vg(0)是熱力學溫度T=0時，PN接面材料的能帶結構中，它的導帶底、價帶頂之間的電勢差——半導體材料的能帶理論中，把有電子存在的能量區域稱作價帶，空著的能量區域叫導帶，而電子不能存在的能量區域叫禁帶，如圖7.12所示。 E圖7.12半導體的能帶結構 導 帶 價 帶 禁帶 FgeVE=(a) (b) 圖7.11 PN接面的正向偏置和反向偏置 PNIF VF P N VF將式(2)帶入式(1)，兩邊取對數可得11)(lnln)0(nFgFVVTqKTTICqKVV+=−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=γ（3） 其中，TICqKVVFg⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=ln)0(1，)(ln1γTqKTVn−=。式(3)是PN接面溫度感測器的基本方程。當正向電流IF為常數時，V1是線性項，Vn1是非線性項，這時正向壓降只隨溫度的變化而變化，但其中的非線性項Vn1引起的非線性誤差很小(在室溫下，γ=1.4時求得的實際響應對線性的理論偏差僅為0.048mV)。因此，在恆流供電情況下，PN接面的正向壓降VF對溫度T的依賴關係只取決於線性項V1，即在恆流供電情況下，正向壓降VF隨溫度T的升高而線性地下降，這就是PN接面測溫的依據。我們正是利用這種線性關係來進行實驗測量。 必須指出，上述結論僅適用於摻入半導體中的雜質全部被電離且本徵激發可以忽略的溫度區間，對最常用的矽二極體，溫度範圍約為-50℃—150℃，若溫度超出此範圍，由於雜質電離因子減小或本徵激發的載流子迅速增加，VF —T的關係將產生新的非線性。更為重要的是，對於給定的PN接面，即使在雜質導電和非本徵激發的範圍內，其線性度也會隨溫度的高低有所不同，非線性項Vn1隨溫度變化特徵決定了VF —T的線性度，使得VF —T的線性度在高溫段優於低溫段，這是PN接面溫度感測器的普遍規律。同時從式(1)、(2)、(3)可以看出，對給定的PN接面，正向電流IF越小非線性項越小，這說明減小IF ，可以改善線性度。在實驗中IF取50μА即可。 三、實驗儀器 TH—J型PN接面VF—T特性實驗儀等。1.樣品室 實驗系統由樣品室和測試儀兩部分組成。樣品室的內部結構如圖7.13所示，樣品室是一個可卸的筒狀金屬容器筒蓋，內設橡皮圈蓋與筒套具有相應的螺紋，可使兩者旋緊保持密封。待測的PN接面樣管(採用3DG6電晶體的基極與集電極短接作為正極，發射極作為負極，構成一隻二極體)和測溫元件（AD590）均置於銅座上，其管腳透過高溫導線分別穿過兩旁空心細管與頂部插座P1連線。加熱器裝在中心管的支座下，其發熱部位埋在銅座的中心柱體內，加熱電源的引線由中心管上方的插空P2引入，P2和引線(外套瓷管)與容器絕緣，容器為電源負端，透過外掛P1的專用線與測試儀機殼相連線地，並將被測PN接面的溫度和電壓訊號輸入測試儀。 2.測試儀 測試儀由恆流源、基準電源和顯示器等單元組成，如圖7.14所示。恆流源有兩組，一組提供IF，電流輸出範圍為0～1000μА連續可調，另一組用於加熱，其控溫電流為0.1A～1A，分為十檔，逐檔遞增或遞減0.1A；基準電源亦分兩組，一組用於補償被測PN接面在0℃或室溫TR時的正向電壓VF(0)或VF(TR)，可以透過設定在儀器面板上的“ΔV調零”電位器旋圖7.14 測量原理框圖 圖7.13 實驗系統結構圖 ①樣品室 ②樣品座 ③待測PN接面 ④加熱器 ⑤測溫元件 P2：加熱電源插孔 P1：DsT引線座 ⑤①②③④P1 P2 鈕實現ΔV=0，並滿足此條件時若升溫，ΔV<0，若降溫，則ΔV>0，以表明正向壓降隨溫度升高而下降。另一組基準電源用於溫度轉換和校準，因本實驗採用AD590溫度感測器測溫，它的輸出電壓以1mV/K正比於熱力學溫度，它工作的溫度範圍為-55℃～150℃，相應的輸出電壓為218.2～423.2mV。為了將輸出電壓顯示在儀器面板上，要求配置9/2位的LED顯示器，另外，為了簡化電路而又保持測量精度，設定了一組273.2mV的基準電壓，其目的是為了將上述的熱力學溫標轉換成攝氏溫標，即對應於-55℃～150℃的工作溫區內，輸給顯示單元的電壓為-55～150mV。另一組量程為±1000mV的7/2位LED顯示器用於測量IF、VF和ΔV，可以透過“測量選擇”開關來實現。測試儀面板上設有VF(溫度數字量)和ΔV的輸出，DAGD供XY函式記錄儀使用。在圖7.14所示的測量原理圖中，DS為待測PN接面；RS為IF的取樣電阻；開關K起測量選擇與極性轉換作用，其中R、P測量IF，P、D測量VF，S、P測量ΔV。 四、實驗內容 1.實驗系統檢查與連線 （1）先對照原理圖熟悉測試儀面板上的各個旋鈕開關，控溫電流開關旋鈕應放在“關”的位置上，此時加熱指示燈不亮。 （2）接上加熱電源線和訊號傳輸線，它們的連線方式均為直插式，因此，在連線訊號線時，應先看清並對準插頭與插座凹凸定位標記，再按插頭的緊線夾部位，即可插入；而拆線時，應拉插頭的可動外套，絕不可魯莽左右轉動，硬拉硬扯引線，以避免拉斷影響實驗。 2.VF（tS）的測量和調零 （1）開啟測試儀電源，電源開關在機箱後面，預熱數分鐘。 （2）將“測量選擇”開關(簡稱K)撥到IF的位置，由“IF調節”使IF=50μА，記錄初始測量溫度tS(一般與當時的室溫tR相同)，再將K撥到VF的位置，記下VF(tS)值，最後將K置於ΔV的位置，由“ΔV調零”使ΔV=0，準確記錄以上資料。 有時因實驗失敗，需要重新進行測量時，PN接面所在處的溫度無法降到室溫，這時可根據實驗條件選取一個合適的起始溫度，記錄下該溫度值，即可開始測量，測量過程與上面完全相同。 3.測定ΔV—T曲線 （1）開啟加熱電源(指示燈即亮)，先將控溫電流開關旋鈕旋至0.3A，再逐步提高控溫加熱電流，實驗過程中每測量三個點控溫電流增加0.1A即可。 （2）記錄對應的ΔV和T，為了減小測量誤差，便於處理資料，實驗中按ΔV每改變10mV或15mV立即讀取一組資料，將資料填入擬定的表格中。 五、注意事項 1．為保持加熱均勻，在整個實驗過程中，升溫速率要慢，即控溫電流一開始不可選擇過大，且最高溫度最好控制在120℃左右。 2．在實驗過程中應保證PN接面正向電流為恆定電流，並保持在50μА上。 3．ΔV在實驗開始時應調零，在實驗過程中不可再調節。
低溫好，高溫影響測量結果PN接面正向壓降與溫度關係的研究 從二十世紀六十年代起開始發展的PN接面感測器具有靈敏度高、線性好、熱響應快和體小輕巧等特點，尤其在溫度數字化、溫度控制以及微機進行溫度實時訊號處理等方面有很強的相對優勢。常用的溫度感測器有熱電偶、測溫電阻器和熱敏電阻等，它們根據各自的特點分別適用於不同的場合。本實驗是為介紹PN接面溫度感測器的工作原理而設定的，是集電學和熱學為一體的綜合性實驗。 一、實驗目的 1．瞭解PN接面的正向壓降隨溫度變化的基本關係。 2．測繪恆流時PN接面的正向壓降隨溫度變化的關係曲線，並由此確定其靈敏度和被測PN接面材料的禁頻寬度。 3．學習用PN接面測溫的方法。 二、實驗原理 1．PN接面 現代技術是和半導體的應用分不開的，常用半導體材料有矽和鍺。矽和鍺是4價元素，當在矽或鍺中摻入5價元素(如磷、砷)的原子時，半導體中的自由電子數大大超過缺少電子的空穴數，這種半導體就稱為電子型半導體，也叫N型半導體；當在矽或鍺中摻入3價元素(如鋁、銦)的原子時，半導體中的空穴數大大超過電子數，這種半導體就稱為空穴型半導體，也叫P型半導體。如果在一塊半導體的兩部分分別摻以3價和5價元素的原子，便形成P型半導體和N型半導體，在P型和N型半導體的接界處就形成了PN接面。 2.PN接面的測溫原理 PN接面重要的獨特效能是它只允許單向電流透過。如圖7.11（a）所示，將PN接面的P區連線電源正極，N區連線電源負極時(這種聯結叫做正向偏置)，即電壓為正向電壓時，在PN接面中就形成了正向電流IF，正向電流隨正向電壓的增大而迅速增大；如果像圖7.11(b)那樣，將PN接面的P區與電源負極相連，N區與電源正極相連時(這種聯結叫做反向偏置)，即電壓為反向電壓時，在PN接面中則產生微弱的反向電流，這微弱反向電流隨著反向電壓的增大而很快達到飽和，稱為反向飽和電流Im。由此可見，PN接面只有在正向偏置時才有電流透過，這就是PN接面的單向導電性。 理想的PN接面正向電流IF和壓降VF存在如下近似關係⎟⎠⎞⎜⎝⎛=KTqVIIFmFexp（1） 式中，q為電子電量，K=1.38×10－23J•K-1為玻爾茲曼常數，T為熱力學溫度，Im為反向飽和電流，它的大小 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=KTqVCTIgm)0(expγ（2） 其中C是與半導體截面積、摻雜濃度等因素有關的常數；γ是熱學中的比熱比，也是一個常數；Vg(0)是熱力學溫度T=0時，PN接面材料的能帶結構中，它的導帶底、價帶頂之間的電勢差——半導體材料的能帶理論中，把有電子存在的能量區域稱作價帶，空著的能量區域叫導帶，而電子不能存在的能量區域叫禁帶，如圖7.12所示。 E圖7.12半導體的能帶結構 導 帶 價 帶 禁帶 FgeVE=(a) (b) 圖7.11 PN接面的正向偏置和反向偏置 PNIF VF P N VF將式(2)帶入式(1)，兩邊取對數可得11)(lnln)0(nFgFVVTqKTTICqKVV+=−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=γ（3） 其中，TICqKVVFg⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=ln)0(1，)(ln1γTqKTVn−=。式(3)是PN接面溫度感測器的基本方程。當正向電流IF為常數時，V1是線性項，Vn1是非線性項，這時正向壓降只隨溫度的變化而變化，但其中的非線性項Vn1引起的非線性誤差很小(在室溫下，γ=1.4時求得的實際響應對線性的理論偏差僅為0.048mV)。因此，在恆流供電情況下，PN接面的正向壓降VF對溫度T的依賴關係只取決於線性項V1，即在恆流供電情況下，正向壓降VF隨溫度T的升高而線性地下降，這就是PN接面測溫的依據。我們正是利用這種線性關係來進行實驗測量。 必須指出，上述結論僅適用於摻入半導體中的雜質全部被電離且本徵激發可以忽略的溫度區間，對最常用的矽二極體，溫度範圍約為-50℃—150℃，若溫度超出此範圍，由於雜質電離因子減小或本徵激發的載流子迅速增加，VF —T的關係將產生新的非線性。更為重要的是，對於給定的PN接面，即使在雜質導電和非本徵激發的範圍內，其線性度也會隨溫度的高低有所不同，非線性項Vn1隨溫度變化特徵決定了VF —T的線性度，使得VF —T的線性度在高溫段優於低溫段，這是PN接面溫度感測器的普遍規律。同時從式(1)、(2)、(3)可以看出，對給定的PN接面，正向電流IF越小非線性項越小，這說明減小IF ，可以改善線性度。在實驗中IF取50μА即可。 三、實驗儀器 TH—J型PN接面VF—T特性實驗儀等。1.樣品室 實驗系統由樣品室和測試儀兩部分組成。樣品室的內部結構如圖7.13所示，樣品室是一個可卸的筒狀金屬容器筒蓋，內設橡皮圈蓋與筒套具有相應的螺紋，可使兩者旋緊保持密封。待測的PN接面樣管(採用3DG6電晶體的基極與集電極短接作為正極，發射極作為負極，構成一隻二極體)和測溫元件（AD590）均置於銅座上，其管腳透過高溫導線分別穿過兩旁空心細管與頂部插座P1連線。加熱器裝在中心管的支座下，其發熱部位埋在銅座的中心柱體內，加熱電源的引線由中心管上方的插空P2引入，P2和引線(外套瓷管)與容器絕緣，容器為電源負端，透過外掛P1的專用線與測試儀機殼相連線地，並將被測PN接面的溫度和電壓訊號輸入測試儀。 2.測試儀 測試儀由恆流源、基準電源和顯示器等單元組成，如圖7.14所示。恆流源有兩組，一組提供IF，電流輸出範圍為0～1000μА連續可調，另一組用於加熱，其控溫電流為0.1A～1A，分為十檔，逐檔遞增或遞減0.1A；基準電源亦分兩組，一組用於補償被測PN接面在0℃或室溫TR時的正向電壓VF(0)或VF(TR)，可以透過設定在儀器面板上的“ΔV調零”電位器旋圖7.14 測量原理框圖 圖7.13 實驗系統結構圖 ①樣品室 ②樣品座 ③待測PN接面 ④加熱器 ⑤測溫元件 P2：加熱電源插孔 P1：DsT引線座 ⑤①②③④P1 P2 鈕實現ΔV=0，並滿足此條件時若升溫，ΔV<0，若降溫，則ΔV>0，以表明正向壓降隨溫度升高而下降。另一組基準電源用於溫度轉換和校準，因本實驗採用AD590溫度感測器測溫，它的輸出電壓以1mV/K正比於熱力學溫度，它工作的溫度範圍為-55℃～150℃，相應的輸出電壓為218.2～423.2mV。為了將輸出電壓顯示在儀器面板上，要求配置9/2位的LED顯示器，另外，為了簡化電路而又保持測量精度，設定了一組273.2mV的基準電壓，其目的是為了將上述的熱力學溫標轉換成攝氏溫標，即對應於-55℃～150℃的工作溫區內，輸給顯示單元的電壓為-55～150mV。另一組量程為±1000mV的7/2位LED顯示器用於測量IF、VF和ΔV，可以透過“測量選擇”開關來實現。測試儀面板上設有VF(溫度數字量)和ΔV的輸出，DAGD供XY函式記錄儀使用。在圖7.14所示的測量原理圖中，DS為待測PN接面；RS為IF的取樣電阻；開關K起測量選擇與極性轉換作用，其中R、P測量IF，P、D測量VF，S、P測量ΔV。 四、實驗內容 1.實驗系統檢查與連線 （1）先對照原理圖熟悉測試儀面板上的各個旋鈕開關，控溫電流開關旋鈕應放在“關”的位置上，此時加熱指示燈不亮。 （2）接上加熱電源線和訊號傳輸線，它們的連線方式均為直插式，因此，在連線訊號線時，應先看清並對準插頭與插座凹凸定位標記，再按插頭的緊線夾部位，即可插入；而拆線時，應拉插頭的可動外套，絕不可魯莽左右轉動，硬拉硬扯引線，以避免拉斷影響實驗。 2.VF（tS）的測量和調零 （1）開啟測試儀電源，電源開關在機箱後面，預熱數分鐘。 （2）將“測量選擇”開關(簡稱K)撥到IF的位置，由“IF調節”使IF=50μА，記錄初始測量溫度tS(一般與當時的室溫tR相同)，再將K撥到VF的位置，記下VF(tS)值，最後將K置於ΔV的位置，由“ΔV調零”使ΔV=0，準確記錄以上資料。 有時因實驗失敗，需要重新進行測量時，PN接面所在處的溫度無法降到室溫，這時可根據實驗條件選取一個合適的起始溫度，記錄下該溫度值，即可開始測量，測量過程與上面完全相同。 3.測定ΔV—T曲線 （1）開啟加熱電源(指示燈即亮)，先將控溫電流開關旋鈕旋至0.3A，再逐步提高控溫加熱電流，實驗過程中每測量三個點控溫電流增加0.1A即可。 （2）記錄對應的ΔV和T，為了減小測量誤差，便於處理資料，實驗中按ΔV每改變10mV或15mV立即讀取一組資料，將資料填入擬定的表格中。 五、注意事項 1．為保持加熱均勻，在整個實驗過程中，升溫速率要慢，即控溫電流一開始不可選擇過大，且最高溫度最好控制在120℃左右。 2．在實驗過程中應保證PN接面正向電流為恆定電流，並保持在50μА上。 3．ΔV在實驗開始時應調零，在實驗過程中不可再調節。