1樓：聽雲者
低溫好，高溫影響測量結果
pn結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結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
結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結的正向壓降隨溫度變化的基本關係。
2．測繪恆流時
pn結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結材料
的禁頻寬度。
3．學習用
pn結測溫的方法。
二、實驗原理
1．pn
結 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結。
2.pn
結的測溫原理
pn結重要的獨特效能是它只允許單向電流通過。如圖
7.11（a
）所示，將
pn結的
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結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結的
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結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結只有在正
向偏置時才有電流通過，這就是
pn結的單向導電性。
理想的pn
結正向電流if
和壓降v
f存在如下近似關係⎟⎠
⎞⎜⎝⎛
=ktqvi
ifmf
exp（1）
式中，q
為電子電量，
k=1.38×10－23
j•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⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
−=ktqvcti
gm)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
結材料的能帶結構中，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 fgev
e=(a)(b)圖7.11 pn
結的正向偏置和反向偏置pn
ifvf
p n vf
將式(2)
帶入式(1)
，兩邊取對數可得11
)(lnln)
0(nf
gfvv
tqktt
icqk
vv+=
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=γ
（3）其中，ti
cqkv
vfg⎟
⎟⎠⎞⎜
⎜⎝⎛−
=ln)0
(1，)
(ln1γt
qktvn
−=。式(3)是pn
結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，vn
1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vn
1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結的正向壓降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結測溫的依據。我們正是利用這種線性關
系來進行實驗測量。
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結，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vn
1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結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結，
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
結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
結樣管(
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，其管腳通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p
2引入，p2
和引線(
外套瓷管
)與容器絕緣，
容器為電源負端，
通過外掛p1
的專用線與測試
儀機殼相連線地，並將被測
pn結的溫度和電
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～
1000
μа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結在0℃
或室溫t
r時的正向電壓vf
(0)或vf
(tr)
，可以通過設定在儀器面板上的“δ
v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
結④加熱器
⑤測溫元件
p2：加熱電源插孔p1：
dst引線座⑤①
②③④p1
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，可以通過
“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結；r
s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.v
f（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“i
f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v
f的位置，記下vf
(ts)
值，最後將k置於
δv的位置，由“δ
v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結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**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結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。
2樓：匿名使用者
低溫好，高溫影響測量結果忘採納
PN接面的應用，哪些器件中應用到PN接面？
根據pn結的材料 摻雜分佈 幾何結構和偏置條件的不同，利用其基本特性可以製造多種功能的晶體二極體。如利用pn結單向導電性可以製作整流二極體 檢波二極體和開關二極體，利用擊穿特性製作穩壓二極體和雪崩二極體 利用高摻雜pn結隧道效應制作隧道二極體 利用結電容隨外電壓變化效應制作變容二極體。使半導體的光電...
PN接面是什麼
f12是幫助 pn結 pn junction 採用不同的摻雜工藝，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 通常是矽或鍺 基片上，在它們的交介面就形成空間電荷區稱pn結。pn結具有單向導電性。p是positive的縮寫，n是negative的縮寫，表明正荷子與負荷子起作用的特點。一塊...
PN接面與PIN結的區別
pn結和pin結是兩種最基本的器件結構，也是兩種重要的二極體。從結構和導電機理上來說，它們有許多共同點，但是也存在不少的差異。l 相同點 1 都存在空間電荷區和勢壘區，則都有勢壘電容 2 都具有單向導電性和相應的整流作用，則都可用作為二極體 3 在高的反向電壓下，都有可能發生絕緣擊穿的現象，因此都存...