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1、實驗四pn結(jié)特性測量一、前言早在六十年代初，人們就試圖用PN結(jié)正向壓降隨溫度升高而降低的特性作為測溫元件，由于當時PN結(jié)的參數(shù)不穩(wěn)定，始終未進入實用階段。隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高及人們不斷的探索，到七十年代時，PN結(jié)以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的晶體管溫度傳感器，已成為一種新的測溫技術(shù)躋身于各個領(lǐng)域了。眾所周知，常用的溫度傳感器有熱電偶、測溫電阻器和熱敏電阻等，這些溫度傳感器均有各自的優(yōu)點，但也有它的不足之處，如熱電偶適用溫度范圍寬，但靈敏度低、線性差且需要參考溫度；熱敏電阻靈敏度高、熱響應(yīng)快、體積小，缺點是非線性，這對于儀表的校準和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)均感不便；測溫電阻器如鉑電阻雖有
2、精度高、線性好的長處，但靈敏度低且價格貴；而PN結(jié)溫度傳感器則具有靈敏度高、線性好、熱響應(yīng)快和體小輕巧等特點，尤其是溫度數(shù)字化、溫度控制以及用微機進行溫度實時信號處理等方面，仍是其它溫度傳感器所不能比的，其應(yīng)用勢必日益廣泛。目前結(jié)型溫度傳感器主要以硅為材料，原因是硅材料易于實現(xiàn)功能化，即將測溫單元和恒流、放大等電路組成一塊集成電路。美國Motorola電子器件公司在1979年就開始生產(chǎn)測溫晶體管及其組件，如今靈敏度高達100mV/℃、分辨率不低于0.1℃的硅集成電路溫度傳感器也已問世。但是以硅為材料的這類傳感器也不是盡善盡美的，在非線性不超過標準值0.5%的條件下，其工作溫
3、度一般不超為－50℃～150℃，與其它溫度傳感器相比，測溫范圍的局限性較大，如果采用不同材料如銻化銦或砷化鎵的PN結(jié)可以展寬低溫區(qū)或高溫區(qū)的測量范圍。八十年代中期我國就研制成功以SiC為材料的PN結(jié)溫度傳感器，其高溫區(qū)可延伸到500℃，并榮獲國際博覽會金獎。自然界有豐富的材料資源，而人類具有無窮的智慧，理想的溫度傳感器正期待著人們?nèi)ヌ剿?、開發(fā)。二、實驗?zāi)康?.了解PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式。2.在恒流供電條件下，測繪PN結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其靈敏度和被測PN結(jié)材料的禁帶寬度。3.學習用PN結(jié)測溫的方法。三、實驗原理理想PN結(jié)的正向電流IF和壓降VF
4、存在如下近似關(guān)系式。（4.1）其中q為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；IS為反向飽和電流，它是一個和PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)的系數(shù)，可以證明（4.2）其中C是與結(jié)面積、摻雜濃度等有關(guān)的常數(shù)；r也是常數(shù)（見附錄）；Vg(0)為絕對零度時PN結(jié)材料的導(dǎo)帶和價帶頂?shù)碾妱莶?。將式?.2）代入式（4.1），兩邊取對數(shù)可得（4.3）其中方程（4.3）就是PN結(jié)正向壓降作為電流和溫度的函數(shù)表達式，它是PN結(jié)溫度傳感器的基本方程。令I(lǐng)F=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化，但是在方程（4.3）中，除線性項V1外還包含非線性項Vn1。下面來分析一下Vn1項所引起的線性誤差。
5、設(shè)溫度由T1變?yōu)門時，正向電壓由VF1變?yōu)閂F，由式（4.3）可得（4.4）按理想的線性溫度響應(yīng)，VF應(yīng)取如下形式（4.5）等于T1溫度時的值。由式（4.3）可得（4.6）所以（4.7）由理想線性溫度響應(yīng)式（4.7）和實際響應(yīng)式（4.4）相比較，可得實際響應(yīng)對線性的理論偏差為（4.8）設(shè)T1=300K，T=310K，取r=3.4*，由式（4.8）可得△=0.048mV，而相應(yīng)的VF的改變量為20mV，相比之下誤差甚小。不過當溫度變化范圍增大時，VF溫度響應(yīng)的非線性誤差將有所遞增，這主要由于r因子所致。綜上所述，在恒流供電條件下，PN結(jié)的VF對T的依賴關(guān)系取決于線性項V1，即
6、正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是PN結(jié)測溫的依據(jù)。必須指出，上述結(jié)論僅適用于雜質(zhì)全部電離，本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間（對于通常的硅二極管來說，溫度范圍約－50℃～150℃）。如果溫度低于或高于上述范圍時，由于雜質(zhì)電離因子減小或本征載流子迅速增加，VF－T關(guān)系將產(chǎn)生新的非線性，這一現(xiàn)象說明VF－T的特性還隨PN結(jié)的材料而異，對于寬帶材料（如GaAs）的PN結(jié)，其高溫端的線性區(qū)則寬；而材料雜質(zhì)電離能小（如InSb）的PN結(jié)，則低溫端的線性范圍寬，對于給定的PN結(jié)，即使在雜質(zhì)導(dǎo)電和非本征激發(fā)溫度范圍內(nèi)，其線性度亦隨溫度的高低而有所不同，這是非線性項Vn1引起的，由Vn1對
7、T的二階導(dǎo)數(shù)可知的變化與T成反比，所以VF－T的線性度在高溫優(yōu)于低溫端，這是PN結(jié)溫度傳感器的普遍規(guī)律。此外，由式（4.4）可知，減小IF，可以改善線性度，但不能從根本上解決問題，目前行之有效的方法大致有兩種：1.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PN結(jié)），分別在不同電流IF1、IF2下工作，由此獲得兩者之差（VF1－VF2）與溫度成線性函數(shù)關(guān)系，即由于晶體管的參數(shù)有一定的離散性，實際與理論仍存在差距，但與單個PN結(jié)相比其線性度與精度均有所提高，這種電路結(jié)構(gòu)與恒流、放大等電路集成一體，
