PN结温度系数实验报告

PN结温度系数实验报告 PN结温度系数实验报告 ExperimentReportofSemiconductorPNTies:sTemperatureCoefficient 黄 — 竺协n增仰,,/ ,l,, 【作者筲介】黄锋,男.师.工作单位: 广州市计量测试所.通讯地址:510030广州市 广仁路l1号 谭山,广州市计量测试所(广州.510030). 【摘娶】物质的温度系数特性是其能否 成为温度测量元件的关键本文从理沦推导和 宴验两方面证明普通的半导体PN结可应用 于温度仪的持端补偿,从而证实了温度仪表 ,划造中普通半导体PN的用途 #I关?词】温度i喇量半导体PN结温 2『一 【瓷料索号】A604 1.问题的提出 温度测量无处不有,温度测量 仪表各式各样,在当今仪表技术水 平下,对配热电偶的温度测量仪表, 影响其精度的最大问题是热电偶的 冷端补偿问题.目前广泛用作冷端 补偿的元件有:集成温度传感器,铜 电阻,PN结.相比较而言,PN结灵 敏度高,热响应,价格低,体积小, 正成为一种新兴的测温元件.一般 资料显示,需要特制的PN结温度传 感器才能用于较精密的测温.而热 电偶的冷端补偿,其补偿范围一股 在0,5O?,能否用普通的PN结来 作为补偿元件?普通的PN结的温 度系数的离散度有多大?PN结作 为补偿元件有没有优越性?本文就 这些方面与大家进行实验探讨. 2.PN结正向压降的温度特性 理论 在PN结众多的物理特性中,它 的正向压降的温度特性可能是不大 1人注意的,但正是这一特睦令测 .6 计童与阚试技术?2000?? 7HIf 7廖, 温元件家族中多了一员. 根据半导体理论,通过PN结的 正向电流0与正向压降之间的 关系为: :(1) 式中:,,——正向电流,mA;,—— 正向压降,V;,——反向饱和电流, inA;口——电子电量,e;k——波尔 兹曼常数,8.63×10ev/K;_,—— 热力学温度,K. d 而:,.=A一(2) 式中;——能带间隙电压,V;A, B一由PN结工艺结构所决定的常 数. 由(1),(2)式经整理后,PN结 正向压降的温度系数5(下称温度 系数)为: S=d,/dT=生In,一生lnA q 一 丝一kB1nT(3) 叮q 或:S:一(+塑)(4) 3.不同电流模式下的PN结温 度系数S与温度T闻的关系 以某一温度 考虑实际的应用, 点的温度系数作为参考基准点,令 该参考点为T0.从(3)式可得:S0= 生lnI fo一生lnA一华一皇旦1nT0 导出:lnA=(鱼InbD—kB— kB1 nT(一So)×(5) 将(5)式代人(3)式并结合(4) 式,整理得: S— Vgo-V/~ +生ln一皂旦 (1+ln)(6) 10 3.1在恒流摸式下,即,=,m 1n::0,有:S:Vgo 一 - VIO— k— B 1,TJ10叮 (1十In)(7) 1" 因In1是T的缓变函数,S 的模随着r增加而上升,但在不宽 的温度范围内,S近似常数. 3.2在指数电流模式下.即,, 如')?ln=AlnT +(A—B) 有:s:一 1I) 鱼l一k—B(8) 10叮 特殊地:A=B,则有: S:,(+丝)(9) 1I}g S呈常数,与T无关. 从以上各式可以得出: (1)PN结的温度系数S为负, 即负温度系数. (2)温度系数S与流过PN结 的正向电流有关,在相同的温度 下,,越大,温度系数S的模越小. (3)流过PN结正向电流,的 模式决定着温度系数S与PN结所 处的温度的关系;在特别的电流模 式下,温度系数S为常数,与PN结 所处的温度无关. (4)温度系数S与PN结的制 造工艺有关. 4.PN结温度系数的实验 实验选用的PN结为常用的硅 二极管1N4148和硅三极管9015. 实验所用的测量仪器有:二等 田 铂电阻温度计,HP34401六位 半繁用表,CS5004标准恒温水槽, 电路电源的稳定度优于0.01%. 考虑测试的方便和准确,只在0 , 50?范围内测定PN结的平均温 度系数.且计算定义为: f.,2温度范围的平均温度系 数计算为(2一l/(f2一fI); 非线性及离散度的计算为 (S一S)/2S. 实验一:测定硅三极管9015在 通以正比于温度的B次幂的电流时 的温度系数.实验电路很简单,利 用ZX25a电阻箱调节和测量流向 PN结的电流,实验时采用了8只三 极管9015,以B:3.5估算.实验数 据如下表1: 升的趋势. 实验三:采用IN4148在与实验 二相同的条件下进行实验,实验时 采用了l6只IN4148,正向电流在 表4奉'虞实验用PN培的补偿精度f)一5f)r 20?时选择了200A进行实验.实从实验得出,普通PN结的温度 验数据如下表3系数与半导体理论推导是相近的 表3稳压2.5198v.表格内温度系数的单位为一mw? 实验表明,1N4148的PN结温 度系数虽然不精密地符合半导体理 论,但其非线性和离散度也仅在1% 左右. 5PN结和冷端补偿{结语) 其热电特性是 常用的热电偶, 表1穗压25198V,表格内温度幕数的单位为一mV/? 温度范围0,10?10,20?20,30?l30,4【l?l40,50?l平均值非线性 样品1#【89618981翩9fj902i1903f1898037% 2#【887【8961.899I1894I190211896040% 3#【9fl2【.9031899I19091910{1905029% 4#f890f.8891889}18971897J1892O2% 5#I900I.903191905【9101904026% 6#1.900I90l1897{1906【9081【902029% 7#1.90II9(M1902;1910l1914l1906034% 8#l896l90319061.907I【9041903029% 平均值l897l9001898【19fl4I【906I【9011)25% 离散度054%051%052%10.57%l053%l0.48% 实验表明,在此电流模式下,PN 结的温度系数呈现很明显的常数特 征. 实验二:在,般的冷端补偿电 路中,大多数是采用恒压供电,本项 实验即模拟这种情况.实验时,采 用了l6只9015,正向电流在20?时 分别选择了100~A,200~A,500~A 进行了三项实验,每项实验过程中 电路供压不变,限流电阻不变.实 验数据如下表2: 非线性的,在室温附近,其热电灵敏 度是随着温度的升高而增加的.集 成温度传感器,铜电阻等冷端补偿 元件的热电特性是线性的;丽对恒 流供电的PN结,其热电特性是非线 性的,其热电灵敏度(温度系数)的 模也是随着温度的升高而增加,与 热电偶的热电特性相近,因此,用 PN结作冷端补偿,其理论精度要优 于其它元件采用普通的PN结,用 表2穗压25198V,表格内噩度系数的单位为一mw? 10,10?10,20?20,30?30,40?40,50?平均值非线性 100~A系敫{22242233224522562266224509% c2【l?)离散度105%05%【l6%06%0.5% 200LLA焉}敫I2160217221852I982.2122l8612% (20?)离戢度{04%04%06%04%04% 500uA幕数l20872()982.1072l【821292l0820% f20r)离散度l05%05%05%04%04% 实验表明,在此电流模式下,PN 结的温度特性在具有一定的常数特 征下.呈现随着温度升高而数值上 田 恒流供电桥路,其补偿性能也与线 性补偿相当.表4列出本实验二, 三的PN结用于冷端补偿时的精度. 普通PN结的温度系数是有,定的 离散度(本实验数据表明离散度在 05%,1%左右),作为热电偶的冷 端补偿元件使用,应该是适合的. 另外.如1N4148的温度特性的理论 精度虽然稍差,然而,对自身内部发 热较大的仪表.因为1N4148体积 小.响应快,甚至可以埋人仪表的接 线端子中,其实际的补偿精度可能 比其它要更为理想.? (上接第1c)页) 看,预测精度是比较满意的这样 在生产实际中,当测量头连续测量 8500,9000个零件时,测量头的精 度损失就接近或超过其公差下限, 直接影响测量结果的可靠性.因 此,连续测量8500个零件以后,就 需要考虑更换或修配测量头. 4.结束语 本文根据灰色系统理论对柱塞 内径测量头的精度损失规律建立_, 其预测模型,经残差检验,关联度检 验和后验差检验,预测模型具有较 高的精度从预测值和实测值的比 较结果看,预测精度是令人满意的; 这在生产实际中,可对及时维修和 更换测量器具提供可靠的依据.? 参考文献 [11费业泰编着.误差理论与数据处理机 械工业出崾杜I986年 [2】刘思峰等薷灰色系蜢理论投其应用. 华中理工^学出版社.[987年 [3J德国祥主编.统计预测与决策卜海财 经大学出版杜.I998年6月 计童与测试技术?2000??.6