pn結(jié)溫度傳感器性能的實(shí)驗(yàn)研究-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　PN結(jié)溫度傳感器性能的實(shí)驗(yàn)研究</p><p>　　學(xué)生XX 指導(dǎo)教師：XX </p><p>　　內(nèi)容摘要：本課題通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同類(lèi)型的半導(dǎo)體PN結(jié)器件進(jìn)行正向壓降與溫度特性的測(cè)量，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)整理、分析、比較、綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中比較各器件靈敏度，線(xiàn)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(hào)的二極管的溫度特性

2、，同一種型號(hào)的3個(gè)二極管的溫度特性分析，同一種型號(hào)二極管在不同的恒定電流下的溫度特性和同一個(gè)二極管多次測(cè)量的溫度特性，主要測(cè)量型號(hào)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(lái)作對(duì)照實(shí)驗(yàn)的S9014型三極管。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PN結(jié) 溫度傳感器 線(xiàn)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(shè)計(jì)介紹1</p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)構(gòu)成和研究?jī)?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(dǎo)體PN結(jié)及其導(dǎo)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(dǎo)3</p><p>　　2.2.2 非線(xiàn)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(shí)驗(yàn)研究6</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)情況介紹6</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析7</p><p>　　3.2.1 不同型號(hào)的二極管的溫度特性分析7</p><p>　　3.2.2 同一種型號(hào)的3個(gè)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(guò)程與降溫過(guò)程可逆性的分析11</p><p>　　3.2.4 同一種型號(hào)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(gè)二極管多次測(cè)量的溫度特性分析15</p><p>　　3.2.6 用ESCORT臺(tái)式精密萬(wàn)用表測(cè)量PN結(jié)正向壓降16

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

11、2</b></p><p>　　PN結(jié)溫度傳感器性能的實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確、操作方便的溫度計(jì)量器具，它適應(yīng)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(chǔ)存等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。而PN結(jié)溫度傳感器是利用PN特性研的，它是一種半導(dǎo)體

12、敏感器件, 實(shí)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?xún)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)它克服了這些傳統(tǒng)測(cè)溫器件的某些固有缺陷，是自動(dòng)控制和儀器儀表工業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)元器件之一。</p><p><b>　　1 畢業(yè)設(shè)計(jì)介紹</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　隨著半導(dǎo)

13、體工藝水平的不斷提高和發(fā)展，半導(dǎo)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(cè)溫元件成為可能，過(guò)去由于PN結(jié)的參數(shù)不穩(wěn)，它的應(yīng)用受到了極大限制，進(jìn)入二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，微電子技術(shù)的發(fā)展日趨成熟和完善，PN結(jié)作為測(cè)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(fù)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(fù)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(cè)溫電阻屬于正溫度系數(shù)傳感器，而半導(dǎo)體PN

14、結(jié)屬于負(fù)溫度系數(shù)的傳感器。這兩類(lèi)傳感器各有其優(yōu)缺點(diǎn)，熱電偶測(cè)溫范圍寬，但靈敏度低，輸出線(xiàn)性差，需要設(shè)置參考點(diǎn)；而熱敏電阻體積小，靈敏度高，熱響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是線(xiàn)性度差；測(cè)溫電阻如鉑電阻雖然精度高，線(xiàn)性度好，但靈敏度低，價(jià)格高。相比之下，PN結(jié)溫度傳感器有靈敏度高，線(xiàn)性好，熱響應(yīng)快和體積小的優(yōu)點(diǎn)，尤其在數(shù)字測(cè)溫，自動(dòng)控制和微機(jī)信號(hào)處理方面有其獨(dú)特之處，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。本文則著重研究各種不同類(lèi)型二極管PN結(jié)的正向壓降與溫度特性的關(guān)系。

15、通過(guò)整理、分析、綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較各二極管靈敏度和線(xiàn)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(shè)計(jì)構(gòu)成和研究?jī)?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(shí)驗(yàn)研究、結(jié)論、結(jié)束語(yǔ)、致謝、附錄、參考文獻(xiàn)八個(gè)部分組成。研究?jī)?nèi)容有如下：半導(dǎo)體PN結(jié)及其導(dǎo)電性能、PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系、非線(xiàn)性誤差、不同型號(hào)的二

16、極管的溫度特性分析、同一種型號(hào)的3個(gè)二極管的溫度特性分析、二極管PN結(jié)升溫過(guò)程與降溫過(guò)程可逆性的分析、同一種型號(hào)二極管在不同的恒定電流下的溫度特性分析、同一個(gè)二極管多次測(cè)量的溫度特性分析、PN結(jié)溫度傳感器的設(shè)計(jì)、PN結(jié)溫度傳感器的特點(diǎn)。</p><p>　　2 PN結(jié)溫度傳感器的原理</p><p>　　2.1 半導(dǎo)體PN結(jié)及其導(dǎo)電性能</p><p>　　PN

17、結(jié)（PN junction）：采用不同的摻雜工藝，通過(guò)擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)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(chēng)PN結(jié)。具體分析如下：在P型半導(dǎo)體中有許多帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷的電離雜質(zhì)，在電場(chǎng)的作用下，空穴是可以移動(dòng)的，而電離雜質(zhì)（離子）是固定不動(dòng)的。N 型半導(dǎo)體中有許多可動(dòng)的負(fù)電子和固定的正離子。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在界面附近空穴從P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散，電子從N型半導(dǎo)體

18、向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散。空穴和電子相遇而復(fù)合，載流子消失。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(chēng)為空間電荷區(qū)。P 型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是負(fù)離子，N 型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是正離子。正負(fù)離子在界面附近產(chǎn)生電場(chǎng)，這電場(chǎng)阻止載流子進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡。一塊單晶半導(dǎo)體中 ，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導(dǎo)體時(shí)，P 型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面附近的過(guò)渡區(qū)稱(chēng)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(dǎo)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(dǎo)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(guò)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(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；PN結(jié)P區(qū)的電位低于N區(qū)的

20、電位稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。</p><p>　　■ PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)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(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)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(shí)的導(dǎo)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(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)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(dǎo)</p><p>　　在PN 結(jié)正向偏壓工作狀態(tài)下，流過(guò)PN 結(jié)的電流強(qiáng)度I 滿(mǎn)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(xué)溫度。當(dāng)T 在250～

23、430K時(shí)，>>1，則上式可變?yōu)?lt;/p><p><b>　　（2.2.1-2）</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(xué)溫度T 有關(guān)的函數(shù)，即</p><p><b>　　（2.2.1-3）</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(yàn)數(shù)據(jù)取r = 3. 4。是絕對(duì)零度時(shí)PN結(jié)材料滿(mǎn)帶和價(jià)帶的電勢(shì)差 ，為禁帶寬度，不同材料的半導(dǎo)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(duì)（2.2.1-4）式兩邊取對(duì)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(xiàn)性關(guān)

26、系，而（2.2.1-5）式中還包含非線(xiàn)性項(xiàng)。</p><p>　　2.2.2 非線(xiàn)性誤差分析</p><p>　　下面來(lái)分析一下由引起的非線(xiàn)性誤差。由（2.2.1-5）式中項(xiàng)可看出來(lái)，只與溫度有關(guān)，而與電流大小I無(wú)關(guān)。是一個(gè)隨增加的微變函數(shù)，當(dāng)溫度較大時(shí)的變化更慢，更接近線(xiàn)性函數(shù)。我們現(xiàn)在分析一下此非線(xiàn)性項(xiàng)的影響。</p><p>　　設(shè)溫度為變?yōu)闀r(shí)，正向壓降由變

27、為，則由（2.2.1-5）式可得</p><p><b>　　（2.2.2-1）</b></p><p>　　按照理想的線(xiàn)性溫度響應(yīng)，應(yīng)取如下形式</p><p><b>　　（2.2.2-2）</b></p><p>　　其中為曲線(xiàn)的斜率，且溫度為和T時(shí)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>　　（2.2.2-4）</b></p><p>　　比較（2.2.2-4）和（2.2.1-5）式，可得實(shí)際對(duì)線(xiàn)性的理論誤差

29、為</p><p><b>　?。?.2.2-5）</b></p><p>　　設(shè)， ，取r=3.4，由（2.2.1-10）式計(jì)算可得=0.048 mV，而相應(yīng)的值改變?yōu)?0mV，相對(duì)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(duì)T的依賴(lài)關(guān)系取決于線(xiàn)性項(xiàng)，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線(xiàn)性下降

30、，這就是PN結(jié)測(cè)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?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的條件下長(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàn)性度</b></p><p>　　PN結(jié)溫度傳感器的線(xiàn)性度是描述傳感器的輸出電壓隨溫度變化的直線(xiàn)程度，PN結(jié)溫度傳感器在-50℃-200℃內(nèi)典型線(xiàn)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(shí)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(duì)于同一個(gè)確定的理想擬合直線(xiàn)（PN結(jié)正向壓降與溫度的曲線(xiàn)），每一個(gè)傳感器的V-T曲線(xiàn)與該直線(xiàn)的最

33、大偏差，這個(gè)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(hào)傳感器互換程度的一個(gè)重要指標(biāo)，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(fù)性如何。</p><p><b>　　■ 時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　PN結(jié)溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)，是描述傳感器動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)特征參數(shù)，它的定義應(yīng)適用于熱敏電阻

34、關(guān)于時(shí)間常數(shù)的定義，即傳感器在零功率測(cè)試條件下（自熱忽略或者很小），當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)傳感器受到的溫度變化從其實(shí)到最終變量的63.2%所需的時(shí)間。它反應(yīng)了傳感器對(duì)溫度的敏感程度，也就是對(duì)快速變化的溫度信號(hào)的響應(yīng)快慢，特便是對(duì)于測(cè)量脈動(dòng)溫度，脈動(dòng)流速等場(chǎng)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同類(lèi)型的二極管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別開(kāi)展其正向電壓降與溫度關(guān)系特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)及研究，計(jì)算出上述的一些參數(shù)，進(jìn)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(shí)驗(yàn)研究</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)情況介紹</p><p><b>　　■ 實(shí)驗(yàn)儀器介

36、紹</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀器主要有PJ-PNW-I型PN結(jié)正向壓降溫度測(cè)量?jī)x、ESCORT臺(tái)式精密萬(wàn)用表、恒溫箱和樣品架。PJ-PNW-I型PN結(jié)正向壓降溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)定溫度范圍為（30℃—120℃），設(shè)定溫度的最設(shè)定值為0.1℃，該測(cè)量?jī)x用來(lái)測(cè)量正向壓降采用的是mV表，最小分度值為1mV。ESCORT臺(tái)式數(shù)字精密萬(wàn)用表電壓測(cè)量的最分度為0.01 mV。</p>&l

37、t;p><b>　　■ 實(shí)驗(yàn)樣品介紹</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)課題要求對(duì)不同的半導(dǎo)體材料、不同的半導(dǎo)體PN結(jié)器件(二極管類(lèi)型)，分別開(kāi)展其正向電壓降與溫度關(guān)系特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)及研究。選用的型號(hào)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(lái)作對(duì)照實(shí)驗(yàn)的S9014型三極管。每種同型號(hào)的二極管都選擇了三個(gè)樣品來(lái)測(cè)量

38、，另外選取了一個(gè)1N4007型二極管，對(duì)它進(jìn)行了6次相同條件的測(cè)量（多次測(cè)量）。</p><p><b>　　■ 測(cè)試范圍介紹</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)選取的溫度范圍為40℃到110℃，每間隔五度作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量出各個(gè)溫度點(diǎn)的PN結(jié)的正向壓降。</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析</p><p&g

39、t;　　3.2.1 不同型號(hào)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(duì)T的依賴(lài)關(guān)系取決于線(xiàn)性項(xiàng)， 即正向壓降幾乎隨溫度升高而線(xiàn)性下降。所以保持通過(guò)PN結(jié)的正向電流為50，測(cè)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(gè)測(cè)試溫度下的值。</p&

40、gt;<p>　　表3.2.1-1 電流為50時(shí)各種類(lèi)型的PN結(jié)正向壓降（mV）</p><p>　　將每一組的15個(gè)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(jì)算出PN結(jié)在每一個(gè)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(duì)處理結(jié)果中各參數(shù)的計(jì)算方法做一個(gè)說(shuō)明：最大偏差是指各個(gè)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(gè)差值除以平均靈敏度系數(shù)得到偏差百分比。通過(guò)用EXCEL中的“IN TERCEPT” “SLOPE” “CORREL”三個(gè)函數(shù)可求得與溫

42、度T的線(xiàn)性回歸方程，線(xiàn)性方程的斜率就是整體靈敏度系數(shù)。</p><p><b>　　測(cè)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(gè)被測(cè)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?xún)?nèi)，其他的偏差都較大，偏差最大的發(fā)光二極管達(dá)到了15%，這些數(shù)據(jù)說(shuō)明其線(xiàn)性似乎不太理想。</p><p>　　■ 進(jìn)一步分析我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算整體靈敏度系數(shù)時(shí)的溫度間隔較大，由于正向壓降的測(cè)量誤差而引起的靈敏度系數(shù)誤差相對(duì)較小，本實(shí)驗(yàn)所采用的儀器測(cè)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(cè)量正向壓降時(shí)每1mV的測(cè)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(dòng)。增大溫度間隔可以降低由于正向壓降的測(cè)量誤差而引起的靈敏度系數(shù)的相對(duì)誤差，但溫度間隔選擇太小會(huì)影響實(shí)驗(yàn)精度，這樣就使線(xiàn)性度的分析缺乏說(shuō)服力。因此在選擇溫度間隔時(shí)，要綜合考慮相對(duì)誤差和實(shí)驗(yàn)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(gè)影響因素。另外上述說(shuō)明各溫度間隔的靈敏度系數(shù)波動(dòng)雖然偏大，但是圍繞著其整體靈敏度系數(shù)而波動(dòng)

45、的，說(shuō)明PN結(jié)的線(xiàn)性度較好，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)都上大于0.99也印證了這一點(diǎn)。</p><p>　　■ 對(duì)于第三組數(shù)據(jù)發(fā)光二極管無(wú)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(shí)驗(yàn)誤差來(lái)解釋。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到發(fā)光二極管的線(xiàn)性不夠理想，誤差較大，應(yīng)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(cè)試的樣品中，發(fā)二極管的靈敏

46、度系數(shù)偏差最大，線(xiàn)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(hào)的3個(gè)二極管的溫度特性分析</p><p>　　選取3個(gè)2cp11來(lái)進(jìn)行測(cè)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(gè)2cp11的PN結(jié)正向壓降(

47、mV)</p><p>　　表3.2.2-2 3個(gè)2cp11的靈敏度系數(shù)（mV/℃）</p><p><b>　　測(cè)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(hào)的3個(gè)二極管的各個(gè)溫度點(diǎn)的PN結(jié)正向壓降并不相同。這提醒我們?cè)儆枚O管作溫度傳感器的時(shí)候必須設(shè)定一個(gè)溫度的標(biāo)準(zhǔn)值，才能找到溫度與正

48、向電壓值的對(duì)應(yīng)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(shuō)明2cp11的線(xiàn)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(shuō)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(jì)錄、實(shí)驗(yàn)儀器或者是樣品本生的差異性的影響。</p><p>　　■ 總結(jié)：通過(guò)對(duì)比分析我們發(fā)現(xiàn)同一型號(hào)的不同二極管的靈敏度相差不大，最大偏差也接近。這說(shuō)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(shí)若采用同一型號(hào)的二極管PN結(jié)則相差不會(huì)太大。</p><p>　　3.2.3 二極管PN結(jié)升溫過(guò)程與降溫過(guò)程可逆性的分析</p><p>　　選取一個(gè)2cw117型二極管，通過(guò)電流為50時(shí)，選取溫度范圍為40℃—110℃，每下降5℃作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量出PN結(jié)的正向壓降。與升溫過(guò)程的值對(duì)比，分析PN結(jié)升溫過(guò)程與降溫過(guò)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(shí)的值</p><p><b>　　(mV)</b></p><p><b>　　(℃)</b></p><p>　　圖3.2.3-1 升溫和降溫時(shí)與溫度的關(guān)系圖</p><p>　　分別求出升溫過(guò)程和降溫過(guò)程的線(xiàn)性

51、回歸方程，方程的參數(shù)如下表</p><p>　　表3.2.3-2 線(xiàn)性回歸處理的結(jié)果 </p><p><b>　　測(cè)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(shí)的靈敏度系數(shù)，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)和降溫時(shí)的相差不大。另外由圖3.2.3-1可以看出對(duì)于每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的正向壓降值都相互接近，幾乎重合說(shuō)明在測(cè)量的范圍內(nèi)，P

52、N結(jié)正向壓降與溫度的線(xiàn)性關(guān)系具有可逆性，不會(huì)因是上升過(guò)程還是下降過(guò)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(xiàn)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(hào)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(cè)試樣本，分析在不的恒定電流下PN結(jié)的

53、溫度特性會(huì)有什么變化。</p><p>　　表3.2.4-1 2CN2型二極管在50和100時(shí)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(shí)溫度與PN結(jié)正向壓降的關(guān)系</p><p><b>　　測(cè)試結(jié)果分析</b></p><p>　　■ 從表3.2.4-1可以看出對(duì)于每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，電流為100時(shí)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(guò)PN結(jié)的電流I越大，則正向壓降也越大，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(xiàn)性項(xiàng)的系數(shù)即靈敏度系數(shù)越大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的印證了這一點(diǎn)。線(xiàn)性項(xiàng)偏差百分比也要比電流為50的大，說(shuō)明電流在100的線(xiàn)性度稍差。在選擇溫度傳感器時(shí)我們要綜合考慮靈敏度和線(xiàn)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(guò)正向電流來(lái)微調(diào)靈敏度，同時(shí)可以由正向壓降直接測(cè)算靈敏度。根據(jù)這一特點(diǎn)可制出特殊的測(cè)溫調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3.2.5 同一個(gè)二極管多次測(cè)量的溫度特性分析</p><p>　　選取一個(gè)1N4007

57、二極管測(cè)量6次，分析其溫度特性和可重復(fù)性。</p><p>　　表3.2.5-1 1N4007型二極管6次測(cè)量的值</p><p>　　表3.2.5-2 6次測(cè)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果</p><p><b>　　測(cè)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(biāo)準(zhǔn)差</b></p><p>　　mV/℃ (3.2.5-2)</p><p><b>　　■ 平均標(biāo)準(zhǔn)差</b></p><p>　　mV/℃ (3.2.5-3)</p><p

59、>　　■ 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)不確定度僅為0.335%， 2CN2型二極管多次測(cè)量的靈敏度和線(xiàn)性度的相差都不大，表明1N4007可重復(fù)性較好，可用來(lái)重復(fù)測(cè)量溫度，符合溫度傳感器對(duì)可重復(fù)性的要求。</p><p>　　3.2.6 用ESC

60、ORT臺(tái)式精密萬(wàn)用表測(cè)量PN結(jié)正向壓降</p><p>　　PJ-PNW-I型PN結(jié)正向壓降溫度測(cè)量?jī)x自帶的電壓測(cè)量表為mV表，下面分析若換用ESCORT臺(tái)式精密萬(wàn)用表來(lái)測(cè)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(tái)式精密萬(wàn)用表測(cè)量2CN2型二極管</p><p>　　表3.2.6-2 用不同電壓表測(cè)

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(wàn)用表測(cè)量，最大偏差百分比用PJ-PNW-I型PN結(jié)正向壓降溫度測(cè)量?jī)x測(cè)量的結(jié)果要低約1%，說(shuō)明換用精密測(cè)量?jī)x器后可減小誤差，使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。</p><p>　　■ 上述分析表明，如果在對(duì)溫度

62、精度要求較高的場(chǎng)合，可以改進(jìn)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置，換用精度更高的測(cè)量?jī)x器對(duì)溫度的正向壓降進(jìn)行測(cè)量。</p><p>　　3.3 PN結(jié)溫度傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　通過(guò)上述幾節(jié)的分析，說(shuō)明二極管PN結(jié)的靈敏度，一致性，可重復(fù)性都能滿(mǎn)足溫度傳感器的要求。下面就利用二極管PN結(jié)具體設(shè)計(jì)一個(gè)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(shuō)明1N4007型二極管的正向壓降與溫度具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，公式2.2.1-5中的非線(xiàn)性項(xiàng)可被忽略。可得到PN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(guò)上述的實(shí)驗(yàn)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(guò)的電流為50時(shí)，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?cè)O(shè)計(jì)PN結(jié)溫度傳感器的原理，實(shí)際測(cè)量中，以40℃為溫度的起始點(diǎn)只需測(cè)量出正向壓降值就可以測(cè)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(shè)計(jì)的溫度計(jì)原理圖如下圖：</p><p>　　圖3.3-1 PN結(jié)溫度傳感器的設(shè)計(jì)電路圖</p><p>　

66、　本傳感器采用的是mV表來(lái)測(cè)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(dá)到的精度則為，約為0.4℃。對(duì)測(cè)溫要求不很高的場(chǎng)合，如用于空調(diào)、冰箱等的測(cè)溫，完全可以滿(mǎn)足要求。</p><p>　　3.4 PN結(jié)溫度傳感器的特點(diǎn)</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(dá)-2 mV/℃— -3 mV/℃，而EU-2熱電偶的測(cè)溫靈敏度為40—43 V/℃，EA—2熱電偶的測(cè)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(qiáng)，這樣可以大大簡(jiǎn)化顯示儀器的抗干擾電路和放大電路。</p><p><b>　　■ 線(xiàn)性度好 </b></p><p>　　熱電偶和熱電阻是非線(xiàn)性元

68、件，在精確測(cè)量中必須進(jìn)行線(xiàn)性化處理。而PN結(jié)只要正向工作電流選擇得當(dāng)，可以在很寬的測(cè)量范圍內(nèi)做到基本線(xiàn)性這樣顯示儀器就不須要加線(xiàn)性化電路，不但時(shí)指針儀表獲得線(xiàn)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(xiàn)性度的方法，目前行之有效的方法大致有兩種。第一：利用對(duì)管的兩個(gè)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(gè)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(xiàn)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(shí)際與理論仍存在差距，但與單個(gè)PN結(jié)的線(xiàn)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(lái)消除非線(xiàn)性誤差由（2.2.1-5）式可知， 非線(xiàn)性誤差來(lái)自項(xiàng)，利用函數(shù)發(fā)生器使I比例例于絕對(duì)溫度的次方， 則-T的線(xiàn)性理論誤差為=0， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值頗為一致，其精度可達(dá)0.01℃。</p><p><b>　

70、　■ 響應(yīng)時(shí)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(shí)間極短，因此響應(yīng)時(shí)間很快很容易達(dá)到0.1到—10秒級(jí)</p><p>　　■ 測(cè)溫靈敏度可以通過(guò)電流來(lái)調(diào)整</p><p>　　在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)一同一個(gè)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(guò)正向

71、電流來(lái)微調(diào)靈敏度，同時(shí)可以由正向壓降直接測(cè)算靈敏度。根據(jù)這一特點(diǎn)可制出特殊的測(cè)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(chǎng)干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　4 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　本課題對(duì)不同的半導(dǎo)體材料、不同的半導(dǎo)體PN結(jié)器件(二極管類(lèi)型)，主要測(cè)量型號(hào)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(lái)作對(duì)照實(shí)驗(yàn)的S9014型三極管。分別開(kāi)展其正向電壓降與溫度關(guān)系特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)及研究，主要研究PN結(jié)靈敏度以及線(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)誤差，標(biāo)準(zhǔn)差，線(xiàn)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(fù)性、可逆性都能符合溫度傳感器的要求。對(duì)測(cè)溫精度要求不很高的場(chǎng)合，不失為一種廉價(jià)的溫度傳感器。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)不同型號(hào)的二極管的溫度特性有一定的差別，在所有測(cè)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(xué)生活一晃而過(guò)，回首走過(guò)的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫(xiě)完這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺(jué)，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(xué)習(xí)環(huán)境，使我們能在這里專(zhuān)心學(xué)習(xí)，陶冶情操。通過(guò)大學(xué)四年的學(xué)習(xí)，我開(kāi)拓了自己的視野，夯實(shí)了自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，與同學(xué)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(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)，同時(shí)感謝我們的輔導(dǎo)員，為我們學(xué)生所做的一切。在這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，XX和XX老師給與了此畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)工作，并且提出我畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中的錯(cuò)誤，使我受益匪淺。在此謹(jǐn)向?qū)O活和

75、段恒利老師致以誠(chéng)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(shù)之背，養(yǎng)育之恩，無(wú)以回報(bào)。作為他們的孩子，我秉承了他們樸實(shí)、堅(jiān)韌的性格，也因此我有足夠的信心和能力戰(zhàn)勝前進(jìn)路上的艱難險(xiǎn)阻；也因?yàn)樗麄兊娜找剐羷冢也庞袡C(jī)會(huì)如愿完成自己的大學(xué)學(xué)業(yè)，進(jìn)而取得進(jìn)一步發(fā)展的機(jī)會(huì)。</p><p>　　最后，再次對(duì)關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝！</p&

76、gt;<p>　　附錄：PN結(jié)溫度傳感器的設(shè)計(jì)電路圖</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 周克省、趙新聞、胡照文：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程，中南大學(xué)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(yīng)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(shí)驗(yàn)中的實(shí)際問(wèn)題，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2005.4，P33-P35</p><p>　　[4] 王治昆、旭東：PN結(jié)傳感原理線(xiàn)性化分析，河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005.3，P1-P5</p><p>　　[5] 梁國(guó)偉：二極管PN結(jié)溫度特性的實(shí)驗(yàn)研究，計(jì)量技術(shù)，2002.8，P3-P5</p><

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