《二極管溫度傳感器性能的實(shí)驗(yàn)研究》10000字

二極管溫度傳感器性能的實(shí)驗(yàn)研究目錄第一章前言 11.1研究背景 11.2研究意義 1第二章溫度傳感器的相關(guān)概念與原理 22.1溫度傳感器的相關(guān)概述 22.1.1溫度傳感器的定義 22.1.2溫度傳感器測(cè)量方式分類 22.2PN結(jié)的相關(guān)原理 32.2.1PN結(jié)的定義 32.2.2ＰＮ結(jié)的形成 32.2.3PN結(jié)單向?qū)щ娦苑治?5第三章PN結(jié)溫度傳感器相關(guān)性能研究 73.1PN結(jié)溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù) 73.1.1極限參數(shù) 73.1.2線性度 73.1.3靈敏度 73.1.4互換偏差 73.1.5時(shí)間常數(shù) 73.1.6穩(wěn)定度 83.2PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系 83.2.1公式推導(dǎo) 83.2.2非線性誤差分析 93.3PN結(jié)的相關(guān)參數(shù)測(cè)量 103.3.1PN結(jié)的伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量 103.3.2弱電流測(cè)量 10第四章PN結(jié)溫度傳感器的實(shí)驗(yàn)研究 124.1實(shí)驗(yàn)情況介紹 124.1.1實(shí)驗(yàn)儀器介紹 124.1.2實(shí)驗(yàn)樣品介紹 124.1.3測(cè)試范圍介紹 124.2不同型號(hào)的二極管的溫度特性實(shí)驗(yàn)分析 124.2.1不同型號(hào)的二極管的溫度特性數(shù)據(jù) 124.2.2處理方法 144.2.3測(cè)試結(jié)果分析如下 154.2.4總結(jié) 154.3同一種型號(hào)的3個(gè)二極管的溫度特性試驗(yàn)分析 154.3.1同一種型號(hào)的3個(gè)二極管的溫度特性數(shù)據(jù) 154.3.2測(cè)試結(jié)果分析 174.3.3總結(jié) 174.4二極管PN結(jié)升降溫過程可逆性試驗(yàn)分析 174.4.1二極管PN結(jié)升降溫可逆性數(shù)據(jù) 174.4.2測(cè)試結(jié)果分析 184.4.3總結(jié) 194.5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 194.5.1試驗(yàn)數(shù)據(jù) 194.5.2測(cè)試結(jié)果分析 204.5.3總結(jié) 214.6同一個(gè)二極管多次測(cè)量的溫度特性分析 214.6.1試驗(yàn)數(shù)據(jù) 214.6.2測(cè)試結(jié)果分析 224.6.3總結(jié) 22結(jié)論 23參考文獻(xiàn) 24第一章前言1.1研究背景隨著半導(dǎo)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，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結(jié)屬于負(fù)溫度系數(shù)的傳感器。這兩類傳感器各有其優(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)是線性度差；測(cè)溫電阻如鉑電阻雖然精度高，線性度好，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型二極管PN結(jié)的正向壓降與溫度特性的關(guān)系。通過整理、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)。1.2研究意義雖然PN結(jié)測(cè)溫傳感器的研究已經(jīng)有多年了，但隨著新的器件的不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)傳感器的性能要求提高，還有很大的發(fā)展空間；另一方面，性能優(yōu)越的新材料不斷涌現(xiàn)，新的特性的敏感材料為我們提供了新的選擇，使傳感器的設(shè)計(jì)面臨新的理念。作為一個(gè)很有發(fā)展前途的技術(shù)，PN結(jié)測(cè)溫傳感器技術(shù)在我國(guó)還是比較落后的，尤其在一些特殊行業(yè)的應(yīng)用上，如醫(yī)療、高壓電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)、冶金加工、航空航天上在線溫度檢測(cè)上。因此建立全面系統(tǒng)的PN結(jié)測(cè)溫傳感器檢測(cè)理論，提供簡(jiǎn)單、實(shí)用化技術(shù)，對(duì)提高我國(guó)這方面的科學(xué)儀器的水平具有重要的意義。第二章溫度傳感器的相關(guān)概念與原理2.1溫度傳感器的相關(guān)概述2.1.1溫度傳感器的定義溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器芯片是一種具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。電阻材料的不同，直接導(dǎo)致電阻溫度傳感器性能及技術(shù)參數(shù)的不同。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。2.1.2溫度傳感器測(cè)量方式分類（1）接觸式溫度傳感器通過熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡，這時(shí)的示值即為被測(cè)對(duì)象的溫度。這種測(cè)溫方法精度比較高，并可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的及對(duì)感溫元件有腐蝕作用的對(duì)象，種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測(cè)溫的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)是可測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對(duì)象，也可測(cè)溫度場(chǎng)的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)：傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，由于被測(cè)物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測(cè)物體溫度，特別是被測(cè)物體熱容量較小時(shí)，測(cè)量精度較低。因此采用這種方式要測(cè)得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測(cè)物體的熱容量要足夠大。（2）非接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸，又稱非接觸式測(cè)溫儀表。這種儀表可用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對(duì)象的表面溫度，也可用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布。最常用的非接觸式測(cè)溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測(cè)溫儀表。非接觸溫度傳感器的測(cè)量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對(duì)最高可測(cè)溫度原則上沒有限制。接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)：非接觸式溫度傳感器主要是利用被測(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙測(cè)。其制造成本較高，測(cè)量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測(cè)物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)；連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。2.2PN結(jié)的相關(guān)原理2.2.1PN結(jié)的定義在一塊本征半導(dǎo)體中，摻以不同的雜質(zhì)，使一邊為P型，另一邊為N型，則在兩部分的接觸面就會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，稱為PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成二極管、三極管及可控硅等許多半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。PN結(jié)溫度傳感器和接觸式溫度傳感器、非接觸式溫度傳感器相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是輸出特性呈線性，且測(cè)量精度高。PN結(jié)測(cè)溫傳感器是利用半導(dǎo)體材料和器件的某些性能參數(shù)對(duì)溫度依賴性，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)裙δ堋?.2.2PN結(jié)的形成（1）當(dāng)Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于交界面處存在載流子濃度的差異，這樣電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。但是，電子和空穴都是帶電的，它們擴(kuò)散的結(jié)果就使Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)中原來的電中性條件破壞了。Ｐ區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，Ｎ區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子。這些不能移動(dòng)的帶電粒子通常稱為空間電荷，它們集中在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，這就是我們所說的ＰＮ結(jié)，如圖2.1所示。圖2.1濃度差使載流子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（2）在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴(kuò)散到對(duì)方，或被對(duì)方擴(kuò)散過來的多數(shù)載流子(到了本區(qū)域后即成為少數(shù)載流子了)復(fù)合掉了，即多數(shù)載流子被消耗盡了，所以又稱此區(qū)域?yàn)楹谋M層，它的電阻率很高，為高電阻區(qū)。（3）Ｐ區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電荷，Ｎ區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)正電荷，因此空間電荷區(qū)出現(xiàn)了方向由Ｎ區(qū)指向Ｐ區(qū)的電場(chǎng)，由于這個(gè)電場(chǎng)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)，如圖2.2所示。圖2.2內(nèi)電場(chǎng)形成（4）內(nèi)電場(chǎng)是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的，伴隨著它的建立將帶來兩種影響：一是內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多子的擴(kuò)散，二是P區(qū)和N區(qū)的少子一旦靠近PN結(jié)，便在內(nèi)電場(chǎng)的作用下漂移到對(duì)方，使空間電荷區(qū)變窄。（5）因此，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，有利于少子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散；而漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)減弱，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即ＰＮ結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡。ＰＮ結(jié)的寬度一般為0.5um。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渡區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)有同質(zhì)結(jié)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2.3為PN結(jié)的形成過程：圖2.3PN結(jié)的形成過程2.2.3PN結(jié)單向?qū)щ娦苑治觯?）PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況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。（2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況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2.4為PN結(jié)單向?qū)щ娦允疽鈭D：圖2.4PN結(jié)單向?qū)щ娦缘谌翽N結(jié)溫度傳感器相關(guān)性能研究3.1PN結(jié)溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)3.1.1極限參數(shù)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℃。圖3.1二極管極限參數(shù)曲線最低工作溫度：是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的條件下長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的溫度下限。一般規(guī)定-50℃為常規(guī)下限工作溫度。3.1.2線性度PN結(jié)溫度傳感器的線性度是描述傳感器的輸出電壓隨溫度變化的直線程度，PN結(jié)溫度傳感器在-50℃-200℃內(nèi)典型線性程度數(shù)值為0.5%。圖3.22DWM1型溫敏二極管的UF-T特型3.1.3靈敏度靈敏度是指在規(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-2.10mV/℃。圖3.3二極管靈敏度曲線3.1.4互換偏差互換偏差是指對(duì)于同一個(gè)確定的理想擬合直線（PN結(jié)正向壓降與溫度的曲線），每一個(gè)傳感器的V-T曲線與該直線的最大偏差，這個(gè)電壓偏差通常按-2.10mV/℃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。圖3.4理想擬合直線PN結(jié)正向壓降與溫度的曲線3.1.5時(shí)間常數(shù)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?。?，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。3.1.6穩(wěn)定度PN結(jié)溫度傳感器的穩(wěn)定度是描述傳感器在各種使用條件下保持原有特性的能力的參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同類型的二極管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別開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)。3.2PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系3.2.1公式推導(dǎo)在PN結(jié)正向偏壓工作狀態(tài)下，流過PN結(jié)的電流強(qiáng)度I滿足（3.1）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250～430K時(shí)，>>1，則上式可變?yōu)椋?.2）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（3.3）其中C是與PN結(jié)的結(jié)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。將(3.3)式代入(3.2)式得（3.4）對(duì)（3.4）式兩邊取對(duì)數(shù)并整理得（3.5）（3.5）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。令I(lǐng)=常數(shù)，則與溫度T為線性關(guān)系，而（3.5）式中還包含非線性項(xiàng)。3.2.2非線性誤差分析下面來分析一下由引起的非線性誤差。由（3.5）式中項(xiàng)可看出來，只與溫度有關(guān)，而與電流大小I無關(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，更接近線性函數(shù)。我們現(xiàn)在分析一下此非線性項(xiàng)的影響。設(shè)溫度為變?yōu)闀r(shí)，正向壓降由變?yōu)?，則由（3.5）式可得（3.6）按照理想的線性溫度響應(yīng)，應(yīng)取如下形式（3.7）其中為曲線的斜率，且溫度為和T時(shí)值相等由（3.6）式得（3.8）所以（3.9）比較（3.8）和（3.9）式，可得實(shí)際對(duì)線性的理論誤差為（3.10）設(shè)，，取r=3.4，由（3.10）式計(jì)算可得=0.048mV，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。綜上所述，在恒流供電條件下，PN結(jié)的對(duì)T的依賴關(guān)系取決于線性項(xiàng)，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是PN結(jié)測(cè)溫的理論依據(jù)。3.3PN結(jié)的相關(guān)參數(shù)測(cè)量3.3.1PN結(jié)的伏安特性及玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量PN結(jié)的正向電流-電壓關(guān)系滿足：(3.11)當(dāng)時(shí)，(1)式括號(hào)內(nèi)-1項(xiàng)完全可以忽略，于是有：(3.12)也即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測(cè)得PN結(jié)關(guān)系值，則利用(3.11)式可以求出。在測(cè)得溫度后，就可以得到，把電子電量作為已知值代入，即可求得玻爾茲曼常數(shù)。實(shí)驗(yàn)線路如圖1所示。圖3.1PN結(jié)擴(kuò)散電源與結(jié)電壓關(guān)系測(cè)量線路3.3.2弱電流測(cè)量LF356是一個(gè)高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器，用它組成電流-電壓變換器(弱電流放大器)，如圖3.2所示。其中虛線框內(nèi)電阻為電流-電壓變換器等效輸入阻抗。圖3.2弱電流放大器運(yùn)算放大器的輸入電壓為：(3.13)式(3)中為輸入電壓，為運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓增益，即圖3.2中電阻時(shí)的電壓增益（稱反饋電阻）。因而有：(3.14)由（3.14）式可得電流-電壓變換器等效輸入阻抗為(3.15)由(3.13)式和(3.14)式可得電流-電壓變換器輸入電流與輸出電壓之間的關(guān)系式，即：(3.16)只要測(cè)得輸出電壓和已知值，即可求得值。第四章PN結(jié)溫度傳感器的實(shí)驗(yàn)研究4.1實(shí)驗(yàn)情況介紹本實(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(二極管類型)，分別開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。4.1.1實(shí)驗(yàn)儀器介紹本實(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)字精密萬用表電壓測(cè)量的最分度為0.01mV。4.1.2實(shí)驗(yàn)樣品介紹選用的型號(hào)有2cp11，1N4007型二極管，F(xiàn)G314050發(fā)光二極管，2CW117型二極管，2CN2型二極管以及用來作對(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)樣品來測(cè)量，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）。4.1.3測(cè)試范圍介紹本實(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。4.2不同型號(hào)的二極管的溫度特性實(shí)驗(yàn)分析4.2.1不同型號(hào)的二極管的溫度特性數(shù)據(jù)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的依賴關(guān)系取決于線性項(xiàng)，即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降。所以保持通過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。表4.1電流為50時(shí)各種類型的PN結(jié)正向壓降（mV）測(cè)溫點(diǎn)型號(hào)2CP11編號(hào)11N4007編號(hào)2FG314050編號(hào)32CW117編號(hào)42CN2編號(hào)5S9014編號(hào)640℃351419165350338751845℃340407164049237650650℃328395162748136549455℃316383161447035348360℃303371160245934247065℃292360159144833145870℃281348157943632044675℃269336156842530843480℃257324155641429742285℃245312154540328541090℃232301153639227439795℃2192891526380263385100℃2072771514369252372105℃1952651503357240360110℃1822541491346229347將每一組的15個(gè)值又分成11組，每隔5為一組分為利用公式(4.1)S為靈敏度系數(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)如下表表4.2不同的PN結(jié)的靈敏度系數(shù)（mV/℃）S（mV/℃）溫度間隔S（mV/℃）溫度間隔樣本2CP111N4007FG3140502CW1172CN2S901440℃-45℃-2.2-2.4-2.6-2.2-2.2-2.445℃-50℃-2.4-2.4-2.6-2.2-2.2-2.450℃-55℃-2.4-2.4-2.6-2.2-2.4-2.255℃-60℃-2.6-2.4-2.4-2.2-2.2-2.660℃-65℃-2.2-2.2-2.2-2.2-2.2-2.465℃-70℃-2.2-2.4-2.4-2.4-2.2-2.470℃-75℃-2.4-2.4-2.2-2.2-2.4-2.475℃-80℃-2.4-2.4-2.4-2.2-2.2-2.480℃-85℃-2.4-2.4-2.2-2.2-2.4-2.485℃-90℃-2.6-2.2-1.8-2.2-2.2-2.690℃-95℃-2.6-2.4-2.0-2.4-2.2-2.495℃-100℃-2.4-2.4-2.4-2.2-2.2-2.6100℃-105℃-2.4-2.4-2.2-2.4-2.4-2.4105℃-110℃-2.4-2.2-2.4-2.2-2.2-2.6整體靈敏度系數(shù)S（40-110）-2.412-2.309-2.275-2.244-2.261-2.429S的最大偏差（mV/℃）0.1880.1090.3250.1560.1390.171偏差百分比（%）7.794.7214.286.956.157.034.2.2處理方法對(duì)處理結(jié)果中各參數(shù)的計(jì)算方法做一個(gè)說明：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。通過用EXCEL中的“INTERCEPT”“SLOPE”“CORREL”三個(gè)函數(shù)可求得與溫度T的線性回歸方程，線性方程的斜率就是整體靈敏度系數(shù)。4.2.3測(cè)試結(jié)果分析如下從表4.1-4.2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-2.5mV/℃—-2.2mV/℃的范圍內(nèi)，其中靈敏度系數(shù)最大的為S9014型三極管。圖4.1PN結(jié)在各溫度間隔中的靈敏度系數(shù)偏差百分比最小的為1N4007型二極管的偏差百分比在5%以內(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)說明其線性似乎不太理想。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)量誤差就可引起0.1mV/℃—0.2mV/℃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，這樣就使線性度的分析缺乏說服力。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)的，說明PN結(jié)的線性度較好，線性相關(guān)系數(shù)都上大于0.99也印證了這一點(diǎn)。對(duì)于第三組數(shù)據(jù)發(fā)光二極管無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)誤差來解釋。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到發(fā)光二極管的線性不夠理想，誤差較大，應(yīng)此并不適于用作溫度傳感器。4.2.4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)二極管的靈敏度系數(shù)偏差最大，線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。4.3同一種型號(hào)的3個(gè)二極管的溫度特性試驗(yàn)分析4.3.1同一種型號(hào)的3個(gè)二極管的溫度特性數(shù)據(jù)選取3個(gè)2cp11來進(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。表4.33個(gè)2cp11的PN結(jié)正向壓降(mV)(mV)T（℃）4045505560657075808590951001051102cp11（1）3513403283163032922812692572452322192071951822cp11（2）3273143022902782672552432312202081961841721602cp11（3）358347335323311300288276264252240229217205193樣品S溫度間隔表4.43個(gè)2cp11的靈敏度系數(shù)樣品S溫度間隔2cp11（1）2cp11（2）2cp11（3）40℃—45℃-2.2-2.6-2.245℃—50℃-2.4-2.4-2.450℃—55℃-2.4-2.4-2.455℃—60℃-2.6-2.4-2.460℃—65℃-2.2-2.2-2.265℃—70℃-2.2-2.4-2.470℃—75℃-2.4-2.4-2.475℃—80℃-2.4-2.4-2.480℃—85℃-2.4-2.2-2.485℃—90℃-2.6-2.4-2.490℃—95℃-2.6-2.4-2.295℃—100℃-2.4-2.4-2.4100℃—105℃-2.4-2.4-2.4105℃—110℃-2.4-2.4-2.4整體靈敏度系數(shù)S（40—110）-2.412-2.368-2.361S的最大偏差0.1880.1680.161偏差百分比（%）7.797.096.814.3.2測(cè)試結(jié)果分析從表4.3和表4.4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0.05mV/℃左右。最大偏差都在7%左右說明2cp11的線性較好。圖4.2同一種型號(hào)的3個(gè)二極管的溫度特性第二組數(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。4.3.3總結(jié)通過對(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。這說明2cp11型二極管在溫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。4.4二極管PN結(jié)升降溫過程可逆性試驗(yàn)分析4.4.1二極管PN結(jié)升降溫可逆性數(shù)據(jù)選取一個(gè)2cw117型二極管，通過電流為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。與升溫過程的值對(duì)比，分析PN結(jié)升溫過程與降溫過程可逆性的可逆性。表4.52cw117型二極管升溫和降溫時(shí)的值T（℃）404550556065707580859095100105110(mV)503492481470459448436425414403392380369357346T（℃）110105100959085807570656055504045(mV)348360371383394405417428439451462473485496507(mV)(℃)圖4.3升溫和降溫時(shí)與溫度的關(guān)系圖分別求出升溫過程和降溫過程的線性回歸方程，方程的參數(shù)如下表表4.6線性回歸處理的結(jié)果ab升溫過程-2.244593.321-0.99975降溫過程-2.269598.129-0.999984.4.2測(cè)試結(jié)果分析由EXCEL的處理結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)升溫時(shí)的靈敏度系數(shù)，線性相關(guān)系數(shù)和降溫時(shí)的相差不大。另外由表4.6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，幾乎重合說明在測(cè)量的范圍內(nèi)，PN結(jié)正向壓降與溫度的線性關(guān)系具有可逆性，不會(huì)因是上升過程還是下降過程而改變。4.4.3總結(jié)有上述分析可知，PN結(jié)結(jié)正向壓降與溫度的線性關(guān)系具有很好的可逆性，符合制作溫度傳感器的要求。4.5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)的溫度特性會(huì)有什么變化。4.5.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)表4.72CN2型二極管在50和100時(shí)值12345678910111250()404550556065707580859095(mV)387376365353342331320308297285274263(mV)—-11-11-12-11-11-11-12-11-12-11-11S—-2.2-2.2-2.4-2.2-2.2-2.2-2.4-2.2-2.4-2.2-2.2100()404550556065707580859095(—mV)412401390379368356345334323311300289(mV)—-11-11-11-11-12-11-11-11-12-11-11()—-2.2-2.2-2.2-2.2-2.4-2.2-2.2-2.2-2.4-2.2-2.2根據(jù)數(shù)據(jù)在Excel中做溫度與正向壓降的關(guān)系(mV)(℃)圖4.4電流分別為50和100時(shí)溫度與PN結(jié)正向壓降的關(guān)系4.5.2測(cè)試結(jié)果分析從表4.8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。電流I（）處理結(jié)果表4.82CN2型二極管在電流為50和100時(shí)靈敏度系數(shù)的處理結(jié)果電流I（）處理結(jié)果50100整體靈敏度系數(shù)S（mV/℃）（40—110）-2.261-2.246S的最大偏差0.1390.154偏差百分比（%）6.156.85從表4.7和4.8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)。線性項(xiàng)偏差百分比也要比電流為50的大，說明電流在100的線性度稍差。在選擇溫度傳感器時(shí)我們要綜合考慮靈敏度和線性度選擇最適合的PN結(jié)。4.5.3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：可通過正向電流來微調(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。4.6同一個(gè)二極管多次測(cè)量的溫度特性分析4.6.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取一個(gè)1N4007二極管測(cè)量6次，分析其溫度特性和可重復(fù)性。表4.91N4007型二極管6次測(cè)量的值2CN2型6次測(cè)量結(jié)果溫度次數(shù)4045505560657075808590951444432420408397385372360349337326314241940739538337136034833632431230128934023913793683563433313193072952832714413400388375364352340327316305293281545244042741440239037836635434333131964