PN结正向压降温度特性的研究

一、前言

早在六十年代初，人们就试图用PN结正向压降随温度升高而降低的特性作为测温元件，由于当时PN结的参数不稳定，始终未能进入实用阶段。随着半导体工艺水平的提高以及人们不断地探索，到七十年代时，PN结以及在此基础上发展起来的晶体管温度传感器，已成为一种新的测温技术跻身各个应用领域了。

众所周知，常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处，如热电偶适用范围宽，但灵敏度低、线性差且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小、缺点是非线性，这对于仪表的校准和控制系统的调节均感不便；测温电阻器如铂电阻虽有精度高、线性好的长处，但灵敏度低且价格昂贵；而PN结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积轻巧等特点，尤其是在温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时信号处理等方面，乃是其他温度传感器所不能相比的，其应用势必日益广泛。目前结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放大等电路组合成一块集成电路。美国Motorola电子器件公司在1979年就开始生产测温晶体管及其组件，如今灵敏度高达100mv/C、分辨率不低于0.1℃的硅集成电路温度感器也已问世。但是以硅为材料的这类温度传感器也不是尽善尽美的，在非线性不超过标准值0.5%的条件下，其工作温度一般为-50℃—150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，如果采用不同材料如锑化铟或砷化镓PN结可以展宽低温区或高温区的测量范围。八十年代中期我国就研制成功以Sic为材料的PN结温度传感器，其高温区可延伸到500℃，并荣获国际博览会金奖。自然界有丰富的材料资源，而人类具有无穷的智慧，理想的温度传感器正期待着人们去探索、开发。

二、实验目的

1． 了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。

2． 在恒流供电条件下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN结材料的禁带宽

度。

3． 学习用PN结测温的方法。 三、实验原理

理想PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系

qV IF?Isexp(F) （1）

kT其中q为电子电荷；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；Is为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明 Is?CTrexp?[qVg(0)kT] （2）

1

（注：（1），（2）式推导参考 刘恩科 半导体物理学第六章第二节）

其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r也是常数；Vg(0)为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。

将（2）式代入（1）式，两边取对数可得 ?kc VF?Vg(0)??In?qIF??kTr?T?InT?V1?Vn1 （3） ?q?其中

?kcV1?Vg(0)??In?qIF?

KTrVn1??InTq??T??

??这就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN结温度传感器的基本方程。令IF=常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项V1外还包含非线性项Vn1项所引起的线性误差。

设温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF，由（3）式可得 VF?Vg(0)??Vg(0)?VF1??T?1n??TT1q?1TkT?? （4） ??r按理想的线性温度影响，VF应取如下形式： VF理想?VF1??VF1?T?VF1?T(T?T1) （5）

等于T1温度时的

?VF?T值。

由（3）式可得 所以

V理想?VF1?Vg?VF1k?Tk????r??T?T1??Vg(0)?Vg(0)?VF1??T?T1?r （7）

T1q?T1q??VF1?T??Vg(0)?VF1T1?kqr （6）

??由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为

??V理想?VF??kqr?T?T1??kTqLn(TT1) （8）

r设T1=300°k，T=310°k，取r=3.4*,由（8）式可得?=0.048mV，而相应的VF的改变量约20mV，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时，VF温度响应的非线性误差将有所递增，这主要由于r因子所致。

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综上所述，在恒流供电条件下，PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。必须指出，上述结论仅适用于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间(对于通常的硅二极管来说，温度范围约-50℃—150℃)。如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加；VF—T关系将产生新的非线性，这一现象说明VF—T的特性还随PN结的材料而异，对于宽带材料（如GaAs）的PN结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小（如Insb）的PN结，则低温端的线性范围宽，对于给定的PN结，

即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性项Vn1引起的，由Vn1对T的二阶导数

dVn1dT22?1T可知dVn1dT的变化与T成反比，所以VF-T的线性度在高温端优于低温端，这是

PN结温度传感器的普遍规律。此外，由（4）式可知，减小IF，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法大致有两种：

1、对管的两个be结（将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN

结），分别在不同电流IF1，IF2下工作，由此获得两者电压之差（VF1- VF2）与温度成线性函数关系，即

VF1?VF2?kTqInIF1IF2

由于晶体管的参数有一定的离散性，实际与理论仍存在差距，但与单个PN结相比其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成电路温度传感器。

1．

Okira Ohte等人提出的采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知，

非线性误差来自Tr项，利用函数发生器，使IF比例于绝对温度的r次方，则VF—T的线性理论误差为?=0，实验结果与理论值颇为一致，其精度可达0.01℃。 四、实验装置

实验系统由样品架和测试仪两部分组成。样品架的结构如图所示，其中A为样品室，是一个可卸的筒状金属容器，筒盖内设橡皮0圈盖与筒套具相应的螺纹可使用两者旋紧保持密封，待测PN结样管（采用3DG6晶体管的基极与集电极短接作为正级，发射极作为负极，构成一只二极管）和测温元件（AD590）均置于铜座B上，其管脚通过高温导线分别穿过两旁空芯细管与顶部插座P1连接。加热器H装在中心管的支座下，其发热部位埋在铜座B的中心柱体内，加热电源的进线由中心管上方的插孔P2引入，P2和引线（高温导线）与容器绝缘，容器为电源负端，通过插件P1的专用线与测试仪机壳相连接地，并将被测PN结的温度和电压信号输入测试仪。测试仪由恒流源、基准电源和显示等单元组成。恒流源有两组，其中一组提供IF，电流输出范围为0-1000μA连续可调，另一组用于加热，其控温电流为0.1-1A，分为十档，逐档递增或减0.1A，基准电源亦分两组，一组用于补偿被测PN结在0℃或室温TR时的正向压降VF（0）或VF（TR），可通过设置在面

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板上的“?V调零”电位器实现?V=0，并满足此时若升温，?V<0；若降温，则?V>0，以表明正向压降随温度升高而下降。另一组基准电源用于温标转换和校准，因本实验采用AD590温度传感器测温，其输出电压以1mV/°k正比于绝对温度，它的工作温度范围为218.2—423.2°k（即-55—150℃），相输出电压为218.2—423.2mV。要求配置412位的LED显示器，为了简化电路而又保持测量精度，设置了一组273.2mV（相当于AD590在0℃时的输出电压）的基准电压，其目的是将上述的绝对温标转换成摄氏温标。则对应于-55—150℃的工作温区内，输给显示单元的电压为-55—150mV。便可采用量程为±200.0mV的31/2位LED显示器进行温度测量。另一组量程为±1000mV的31/2位LED显示器用于测量IF，VF和?V，可通过“测量选择”开关来实现。

测量的框图如下所示

DS为待测PN结：RS为IF的取样电阻；开关k起测量选择与极性变换作用，其中R、P测IF；P、D测VF；S、P测?V。

五、实验方法与内容 1． 实验系统检查与连接

A． 取下样品室的简套（左手扶筒盖，右手扶筒套顺时针旋转），查待测PN结管和测温元

件应分放在铜座的左、右两侧圆孔内，其管脚不与容器接触，然后放好筒盖内的橡皮0圈，装上筒套。0圈的作用是当样品室在冰水中进行降温时，以防止冰水渗入室内。

B． 控温电流开关应放在“关”位置，此时加热指示灯不亮。接上加热电源线和信号传输线。

两者连线均为直插式，在连接信号线时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，再按插头的紧线夹部位，即可插入。而拆除时，应拉插头的可动外套，决不可鲁莽左右转动，或操作部位不对而硬拉，否则可能拉断引线影响实验。

实验仪器线路已接好，由老师演示，同学们无需再调。 2． VF（O）或VF（TR）的测量和调零

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