PN结温度传感器性能的实验研究-毕业设计

1、PN结温度传感器性能的实验研究学生XX 指导教师：XX 内容摘要：本课题通过实验对不同类型的半导体PN结器件进行正向压降与温度特性的测量，获取实验数据，通过整理、分析、比较、综合实验数据，从中比较各器件灵敏度，线性度的优劣，为合理选用PN结温度传感器提供依据。主要分析了不同型号的二极管的温度特性，同一种型号的3个二极管的温度特性分析，同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性和同一个二极管多次测量的温度特性，主要测量型号有2CP11，1N4007型二极管，FG314050型发光二极管，2CW117型二极管，2CN2型二极管以及用来作对照实验的S9014型三极管。关键词：PN结 温度传感器 线

2、性度Study for PN junction sensor experimental performance of the temperatureAbstract: It is used to measure forward voltage drop and temperature characteristic of different type's PN semiconductors in order to obtain the data of experiment. By neatening, analyzing, comparing, synthesizing data, it

3、 is a comparison of these component about the strengths and weaknesses of response rate and linearity in order to provide for reason of legitimately choosing PN junction temperature transmitter.The experiment analyses temperature characteristic of different model diodes,the temperature characteristi

4、c of the same model for three diodes,the temperature characteristic of the same model diode when it is constant current ,and the several measurements of same model diode about the temperature characteristic. And the major types include 2CP11, 1N4007 diodes, 2CW117 diode , 2CN2 diode and S9014 dynatr

5、on which are used for controlling experiment.Keywords: PN junction temperature sensor linearity目 录前言11 课程设计介绍11.1 课题背景11.2 课程设计构成和研究内容12 PN结温度传感器的原理22.1 半导体PN结及其导电性能22.2 PN结正向压降与温度的关系32.2.1 公式推导32.2.2 非线性误差分析42.2.3 PN结温度传感器的主要技术参数53 PN结温度传感器的实验研究63.1 实验情况介绍63.2 实验数据与数据分析73.2.1 不同型号的二极管的温度特性分析73.2.2

6、同一种型号的3个二极管的温度特性分析103.2.3 二极管PN结升温过程与降温过程可逆性的分析113.2.4 同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性分析133.2.5 同一个二极管多次测量的温度特性分析153.2.6 用ESCORT台式精密万用表测量PN结正向压降163.3 PN结温度传感器的设计173.4 PN结温度传感器的特点184 结束语19附录21参考文献2223PN结温度传感器性能的实验研究前言PN结温度传感器是一种体积小，检温准确、操作方便的温度计量器具，它适应不同温度区域的检温要求。在科研、化工，制药，冷藏、供暖和粮食储存等领域中得到广泛应用。而PN结温度传感器是利用PN特

7、性研的，它是一种半导体敏感器件, 实现温度与电压的转换。在常温范围内兼有热电偶，铂电阻，和热敏电阻的各自优点，同时它克服了这些传统测温器件的某些固有缺陷，是自动控制和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件之一。1 毕业设计介绍1.1 课题背景随着半导体工艺水平的不断提高和发展，半导体PN结正向压降随温度升高而降低的特性使PN结作为测温元件成为可能，过去由于PN结的参数不稳，它的应用受到了极大限制，进入二十世纪七十年代以来，微电子技术的发展日趋成熟和完善，PN结作为测温元件受到了广泛的关注，温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温度系数传感器的

8、阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN结属于负温度系数的传感器。这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如铂电阻虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。相比之下，PN结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而获得了广泛的应用。本文则着重研究各种不同类型二极管PN结的正向压降与温度特性的关系。通过整理、分析、综合实验数据，比较各二极管灵敏度和线性度的优劣，为合理选用P

9、N结制作温度传感器提供选择依据。1.2 毕业设计构成和研究内容此论文由绪论、PN结温度传感器的原理、PN结温度传感器的实验研究、结论、结束语、致谢、附录、参考文献八个部分组成。研究内容有如下：半导体PN结及其导电性能、PN结正向压降与温度的关系、非线性误差、不同型号的二极管的温度特性分析、同一种型号的3个二极管的温度特性分析、二极管PN结升温过程与降温过程可逆性的分析、同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性分析、同一个二极管多次测量的温度特性分析、PN结温度传感器的设计、PN结温度传感器的特点。2 PN结温度传感器的原理2.1 半导体PN结及其导电性能PN结（PN junction）：采

10、用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。具体分析如下：在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质，在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体

11、一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。如图2.1-1为PN结的形成过程：图2.1-1 PN结的形成过程PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN

12、结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。 PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。如图2.1-2为PN结单向导电性示意图：2.1-2 PN结单向导电性

13、2.2 PN结正向压降与温度的关系2.2.1 公式推导在PN 结正向偏压工作状态下，流过PN 结的电流强度I 满足 （2.2.1-1）其中Is为PN 结的反向饱和电流，为电子电量，k为玻耳兹曼常量，T为环境的热力学温度。当T 在250430K时，>>1，则上式可变为 （2.2.1-2）PN 结的反向饱和电流是与PN 结材料的禁带宽度和热力学温度T 有关的函数，即 （2.2.1-3）其中C是与PN 结的结面积和掺杂浓度等有关的常数，r为与PN结有关的常数，r的数值决定于少数载流子迁移率与温度的关系，一般在1.53.5范围内，通常典型的经验数据取r = 3. 4。是绝对零度时PN结材料

14、满带和价带的电势差 ，为禁带宽度，不同材料的半导体不同。锗0.7-0.8eV，硅为1.1-1.2eV。将(2.2.1-3) 式代入(2.2.1-2) 式得 （2.2.1-4）对（2.2.1-4）式两边取对数并整理得 （2.2.1-5） （2.2.1-5）式就是PN结正向压降与温度和电流的关系，它是温度传感器的基本方程。令I=常数，则与温度T为线性关系，而（2.2.1-5）式中还包含非线性项。2.2.2 非线性误差分析下面来分析一下由引起的非线性误差。由（2.2.1-5）式中项可看出来，只与温度有关，而与电流大小I无关。是一个随增加的微变函数，当温度较大时的变化更慢，更接近线性函数。我们现在分析

15、一下此非线性项的影响。设温度为变为时，正向压降由变为，则由（2.2.1-5）式可得 （2.2.2-1）按照理想的线性温度响应，应取如下形式 （2.2.2-2）其中为曲线的斜率，且温度为和T时值相等由（2.2.1-5）式得 （2.2.2-3）所以 （2.2.2-4）比较（2.2.2-4）和（2.2.1-5）式，可得实际对线性的理论误差为 （2.2.2-5）设， ，取r=3.4，由（2.2.1-10）式计算可得=0.048 mV，而相应的值改变为20mV，相对误差百分比为0.24%，相比之下误差甚小。综上所述，在恒流供电条件下，PN结的对T的依赖关系取决于线性项，即正向压降几乎随温度升高而线性下降

16、，这就是PN结测温的理论依据。2.2.3 PN结温度传感器的主要技术参数 极限参数最高工作温度：是指传感器在规定的条件下长期连续工作所允许的上限温度。一般规定PN结温度传感器的最高温度为200。最低工作温度：是指传感器在规定的条件下长期连续工作所允许的温度下限。一般规定-50为常规下限工作温度。 线性度PN结温度传感器的线性度是描述传感器的输出电压随温度变化的直线程度，PN结温度传感器在-50-200内典型线性程度数值为0.5%。 灵敏度灵敏度是指在规定的条件下，环境温度每变化1时PN结正向压降的变化值，用表示，单位是mV/。它的典型数值为-2.10 mV/。 互换偏差互换偏差是指对于同一个确

17、定的理想拟合直线（PN结正向压降与温度的曲线），每一个传感器的V-T曲线与该直线的最大偏差，这个电压偏差通常按-2.10 mV/折合成温度表示。互换偏差是描述同型号传感器互换程度的一个重要指标，它主要取决于材料电阻率的均匀一致性的好坏，制造器件的工艺水平以及工艺水平控制的一致性、重复性如何。 时间常数PN结温度传感器的时间常数，是描述传感器动态特性的一个特征参数，它的定义应适用于热敏电阻关于时间常数的定义，即传感器在零功率测试条件下（自热忽略或者很小），当环境温度变化时传感器受到的温度变化从其实到最终变量的63.2%所需的时间。它反应了传感器对温度的敏感程度，也就是对快速变化的温度信号的响应快

18、慢，特便是对于测量脉动温度，脉动流速等场合该参数极为重要。 稳定度 PN结温度传感器的稳定度是描述传感器在各种使用条件下保持原有特性的能力的参数。通过实验对不同类型的二极管进行实验，分别开展其正向电压降与温度关系特性的测量实验及研究，计算出上述的一些参数，进行分析比较，从而为合理选用PN结温度传感器提供选择依据。3 PN结温度传感器的实验研究3.1 实验情况介绍 实验仪器介绍本实验的实验仪器主要有PJ-PNW-I型PN结正向压降温度测量仪、ESCORT台式精密万用表、恒温箱和样品架。PJ-PNW-I型PN结正向压降温度测量仪的设定温度范围为（30120），设定温度的最设定值为0.1，该测量仪用

19、来测量正向压降采用的是mV表，最小分度值为1mV。ESCORT台式数字精密万用表电压测量的最分度为0.01 mV。 实验样品介绍本实验课题要求对不同的半导体材料、不同的半导体PN结器件(二极管类型)，分别开展其正向电压降与温度关系特性的测量实验及研究。选用的型号有2cp11，1N4007型二极管，FG314050发光二极管，2CW117型二极管，2CN2型二极管二极管以及用来作对照实验的S9014型三极管。每种同型号的二极管都选择了三个样品来测量，另外选取了一个1N4007型二极管，对它进行了6次相同条件的测量（多次测量）。 测试范围介绍本实验选取的温度范围为40到110，每间隔五度作为一个测

20、量点，测量出各个温度点的PN结的正向压降。3.2 实验数据与数据分析3.2.1 不同型号的二极管的温度特性分析由原理部分可知，综上所述，在恒流供电条件下，PN结的对T的依赖关系取决于线性项， 即正向压降几乎随温度升高而线性下降。所以保持通过PN结的正向电流为50，测量2CP11，1N4007型二极管，FG314050发光二极管，2CW117型二极管，2CN2型二极管以及S9014型三极管（基极和发射结连接在一起）在各个测试温度下的值。表3.2.1-1 电流为50时各种类型的PN结正向压降（mV）测温点型号2CP11编号11N4007编号2FG314050编号32CW117编号42CN2编号5S

21、9014编号640351419165350338751845340407164049237650650328395162748136549455316383161447035348360303371160245934247065292360159144833145870281348157943632044675269336156842530843480257324155641429742285245312154540328541090232301153639227439795219289152638026338510020727715143692523721051952651503357240

22、3601101822541491346229347将每一组的15个值又分成11组，每隔5为一组分为利用公式 (3.2.1-1)S为灵敏度系数，计算出PN结在每一个温度段内的灵敏度系数如下表表3.2.1-2 不同的PN结的灵敏度系数（mV/） S（mV/） 温度间隔样本2CP111N4007FG3140502CW1172CN2S90144045-2.2-2.4-2.6-2.2-2.2-2.44550-2.4-2.4-2.6-2.2-2.2-2.45055-2.4-2.4-2.6-2.2-2.4-2.25560-2.6-2.4-2.4-2.2-2.2-2.66065-2.2-2.2-2.2-2.2

23、-2.2-2.46570-2.2-2.4-2.4-2.4-2.2-2.47075-2.4-2.4-2.2-2.2-2.4-2.47580-2.4-2.4-2.4-2.2-2.2-2.48085-2.4-2.4-2.2-2.2-2.4-2.48590-2.6-2.2-1.8-2.2-2.2-2.69095-2.6-2.4-2.0-2.4-2.2-2.495100-2.4-2.4-2.4-2.2-2.2-2.6100105-2.4-2.4-2.2-2.4-2.4-2.4105110-2.4-2.2-2.4-2.2-2.2-2.6整体灵敏度系数S（40110）-2.412-2.309-2.275-2

24、.244-2.261-2.429S的最大偏差（mV/）0.1880.1090.3250.1560.1390.171偏差百分比（%）7.794.7214.286.956.157.03对处理结果中各参数的计算方法做一个说明：最大偏差是指各个温度段的灵敏度系数与整体灵敏度系数的最大差值，这个差值除以平均灵敏度系数得到偏差百分比。通过用EXCEL中的“IN TERCEPT” “SLOPE” “CORREL”三个函数可求得与温度T的线性回归方程，线性方程的斜率就是整体灵敏度系数。测试结果分析如下 从表3.2.1-2中可以发现7个被测量的PN结在各温度间隔中的灵敏度系数存在一定的差异，但都比较接近在-2.

25、5 mV/-2.2 mV/的范围内，其中灵敏度系数 最大的为S9014型三极管。 偏差百分比最小的为1N4007型二极管的偏差百分比在5%以内，其他的偏差都较大，偏差最大的发光二极管达到了15%，这些数据说明其线性似乎不太理想。 进一步分析我们会发现，计算整体灵敏度系数时的温度间隔较大，由于正向压降的测量误差而引起的灵敏度系数误差相对较小，本实验所采用的仪器测量的最小刻度为1mV。前述的各温度间隔较小，一般只有510，测量正向压降时每1mV的测量误差就可引起0.1 mV/0.2 mV/的灵敏度误差，这足可以产生各温度间隔的灵敏度系数波动。增大温度间隔可以降低由于正向压降的测量误差而引起的灵敏度

26、系数的相对误差，但温度间隔选择太小会影响实验精度，这样就使线性度的分析缺乏说服力。因此在选择温度间隔时，要综合考虑相对误差和实验精度的影响。2CP11型二极管各温度间隔的灵敏度系数偏差较大，很可能这是一个影响因素。另外上述说明各温度间隔的灵敏度系数波动虽然偏大，但是围绕着其整体灵敏度系数而波动的，说明PN结的线性度较好，线性相关系数都上大于0.99也印证了这一点。 对于第三组数据发光二极管无论是偏差百分比还是平均灵敏度与整体灵敏度的差别都较明显，显然不能完全由实验误差来解释。通过实验结果可以看到发光二极管的线性不够理想，误差较大，应此并不适于用作温度传感器。 总结：根据上述分析和数据我们得出结

27、论，在所有测试的样品中，发二极管的灵敏度系数偏差最大，线性度最差不适于制作温度传感器。灵敏度偏差最小的为2CN2型二极管和1N4007型二极管。3.2.2 同一种型号的3个二极管的温度特性分析选取3个2cp11来进行测量分析样品因制作工艺、批次、环境等条件造成的离散性与温度特性的关系。表3.2.2-1 3个2cp11的PN结正向压降(mV)(mV) T（）4045505560657075808590951001051102cp11（1）3513403283163032922812692572452322192071951822cp11（2）327314302290278267255243231

28、2202081961841721602cp11（3）358347335323311300288276264252240229217205193 样品 S温度间隔表3.2.2-2 3个2cp11的灵敏度系数（mV/）2cp11（1）2cp11（2）2cp11（3）4045-2.2-2.6-2.24550-2.4-2.4-2.45055-2.4-2.4-2.45560-2.6-2.4-2.46065-2.2-2.2-2.26570-2.2-2.4-2.47075-2.4-2.4-2.47580-2.4-2.4-2.48085-2.4-2.2-2.48590-2.6-2.4-2.49095-2.6-

29、2.4-2.295100-2.4-2.4-2.4100105-2.4-2.4-2.4105110-2.4-2.4-2.4整体灵敏度系数S（40110）-2.412-2.368-2.361S的最大偏差0.1880.1680.161偏差百分比（%）7.797.096.81测试结果分析 从表3.2.2-1和表3.2.2-2可以看出，同一型号的3个二极管的各个温度点的PN结正向压降并不相同。这提醒我们再用二极管作温度传感器的时候必须设定一个温度的标准值，才能找到温度与正向电压值的对应关系。灵敏度虽然是有一定的差异，但不大在0.05 mV/左右。最大偏差都在7%左右说明2cp11的线性较好。第二组数据与

30、第三组数据较为接近而与第一组数据有一定的差距，说明第一组数据可能存在一定的误差。这种误差可能是由于数据纪录、实验仪器或者是样品本生的差异性的影响。 总结：通过对比分析我们发现同一型号的不同二极管的灵敏度相差不大，最大偏差也接近。这说明2cp11型二极管在温度特性方面的互换性较好，制作温度传感器时若采用同一型号的二极管PN结则相差不会太大。3.2.3 二极管PN结升温过程与降温过程可逆性的分析选取一个2cw117型二极管，通过电流为50时，选取温度范围为40110，每下降5作为一个测量点，测量出PN结的正向压降。与升温过程的值对比，分析PN结升温过程与降温过程可逆性的可逆性。表3.2.3-1 2

31、cw117型二极管升温和降温时的值T（）404550556065707580859095100105110(mV)503492481470459448436425414403392380369357346T（）110105100959085807570656055504045(mV)348360371383394405417428439451462473485496507(mV)() 图3.2.3-1 升温和降温时与温度的关系图分别求出升温过程和降温过程的线性回归方程，方程的参数如下表表3.2.3-2 线性回归处理的结果 ab升温过程- 2.244593.321-0.99975降温过程-2.2

32、69598.129-0.99998测试结果分析 由EXCEL的处理结果可以发现升温时的灵敏度系数，线性相关系数和降温时的相差不大。另外由图3.2.3-1可以看出对于每一个测试点的正向压降值都相互接近，几乎重合说明在测量的范围内，PN结正向压降与温度的线性关系具有可逆性，不会因是上升过程还是下降过程而改变。 总结：有上述分析可知，PN结结正向压降与温度的线性关系具有很好的可逆性，符合制作温度传感器的要求。3.2.4 同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性分析选取2CN2型二极管作为测试样本，分析在不的恒定电流下PN结的温度特性会有什么变化。表3.2.4-1 2CN2型二极管在50和100时

33、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

34、.2-2.2-2.4-2.2-2.2根据数据在Excel中做温度与正向压降的关系(mV)() 图3.2.4-1 电流分别为50和100时温度与PN结正向压降的关系测试结果分析 从表3.2.4-1可以看出对于每一个测试点，电流为100时的值都比电流为50的要高。根据前文原理部分的2.2节的公式2.2.1-3可以得到通过PN结的电流I越大，则正向压降也越大，实验结果与理论相符。 电流I（）处理结果表3.2.4-2 2CN2型二极管在电流为50和100时灵敏度系数的处理结果50100整体灵敏度系数S（mV/）（40110）-2.261-2.246S的最大偏差0.1390.154偏差百分比（%）6.1

35、56.85 从表3.2.4-2可看出电流50时的整体灵敏度系数大，而由PN结正向压降的理论公式（2.2.1-5）式可以看出I越大线性项的系数即灵敏度系数越大，实验数据很好的印证了这一点。线性项偏差百分比也要比电流为50的大，说明电流在100的线性度稍差。在选择温度传感器时我们要综合考虑灵敏度和线性度选择最适合的PN结。 总结：上述分析表明正向电流不同，其灵敏度也不同，正向电流越大灵敏度越低，正向电流减小灵敏度增高。这一特性非常重要：可通过正向电流来微调灵敏度，同时可以由正向压降直接测算灵敏度。根据这一特点可制出特殊的测温调节器。3.2.5 同一个二极管多次测量的温度特性分析选取一个1N4007

36、二极管测量6次，分析其温度特性和可重复性。表3.2.5-1 1N4007型二极管6次测量的值2CN2型6次测量结果 温度 次数404550556065707580859095144443242040839738537236034933732631424194073953833713603483363243123012893402391379368356343331319307295283271441340038837536435234032731630529328154524404274144023903783663543433313196413400388375364352340327316

37、305293281表3.2.5-2 6次测量的统计结果处理结果 次数123456整体灵敏度（mV/）-2.365-2.363-2.391-2.374-2.403-2.406灵敏度平均值（mV/）-2.384平均值标准差（mV/）0.008相对标准不确定度 （%）0.335测试结果分析 灵敏度系数平均值 mV/ (3.2.5-1) 标准差 mV/ (3.2.5-2) 平均标准差 mV/ (3.2.5-3) 相对标准不确定度 (3.2.5-4) 总结：分析结果表明，相对不确定度仅为0.335%， 2CN2型二极管多次测量的灵敏度和线性度的相差都不大，表明1N4007可重复性较好，可用来重复测量温度

38、，符合温度传感器对可重复性的要求。3.2.6 用ESCORT台式精密万用表测量PN结正向压降PJ-PNW-I型PN结正向压降温度测量仪自带的电压测量表为mV表，下面分析若换用ESCORT台式精密万用表来测量1N4007型二极管的正向压降，是否能减小误差。 表3.2.6-1 用ESCORT台式精密万用表测量2CN2型二极管 次数测量值12345678()4045505560657075(mV)411.83400.04388.05375.88363.73351.53339.46327.13(mV)-11.79-11.99-12.17-12.15-12.20-12.07-12.33S （mV/）-2

39、.358-2.398-2.434-2.430-2.440-2.414-2.466 次数测量值9101112131415()80859095100105110(mV)314.94302.64290.40277.99265.69253.44241.21(mV)-12.19-12.27-12.27-12.41-12.30-12.25-12.23S（mV/）-2.438-2.454-2.454-2.482-2.460-2.450-2.446 表3.2.6-2 用不同电压表测量PN结正向压降的数据处理结果PJ-PNW-I型ESCORT数字万用表整体灵敏度系数S（mV/）（40110）-2.309-2.4

40、43S的最大偏差0.1090.0859偏差百分比（%）4.723.79结果分析 由表3.2.6-2可以看出，换用ESCORT数字万用表测量，最大偏差百分比用PJ-PNW-I型PN结正向压降温度测量仪测量的结果要低约1%，说明换用精密测量仪器后可减小误差，使测量结果更准确。 上述分析表明，如果在对温度精度要求较高的场合，可以改进本实验的实验装置，换用精度更高的测量仪器对温度的正向压降进行测量。3.3 PN结温度传感器的设计通过上述几节的分析，说明二极管PN结的灵敏度，一致性，可重复性都能满足温度传感器的要求。下面就利用二极管PN结具体设计一个PN结传感器，就以J8型二极管为例。由3.3.1节的表

41、3.3.1-2可以知道1N4007型二极管灵敏度的最大偏差为4.72%，说明1N4007型二极管的正向压降与温度具有良好的线性关系，公式2.2.1-5中的非线性项可被忽略。可得到PN结正向压降与温度的近似关系 (3.3-1)通过上述的实验数据分析可得1N4007型二极管的平均灵敏度系数S为2.309mV/，温度为40，通过的电流为50时，PN结的正向压降为419 mV。根据公式（3.3-1）可得 (3.3-2)由（3.3-2）式减去（3.3-1）式并整理得 (3.3-3)式3.3-3便是我们设计PN结温度传感器的原理，实际测量中，以40为温度的起始点只需测量出正向压降值就可以测量出温度。带入初

42、始温度40，正向压降得 （3.3-4）设计的温度计原理图如下图：图3.3-1 PN结温度传感器的设计电路图本传感器采用的是mV表来测量二极管，mV表的最小刻度为1mV由（2.2.2-5）式可知道温度T能够达到的精度则为，约为0.4。对测温要求不很高的场合，如用于空调、冰箱等的测温，完全可以满足要求。3.4 PN结温度传感器的特点 灵敏度高 PN结温度传感器灵敏度可高达-2 mV/ -3 mV/，而EU-2热电偶的测温灵敏度为4043 V/，EA2热电偶的测温灵敏度为70100 V/。相比之下硅PN结得令名都要高出热电偶2050倍。由于灵敏度高，抗干扰能力强，这样可以大大简化显示仪器的抗干扰电路

43、和放大电路。 线性度好 热电偶和热电阻是非线性元件，在精确测量中必须进行线性化处理。而PN结只要正向工作电流选择得当，可以在很宽的测量范围内做到基本线性这样显示仪器就不须要加线性化电路，不但时指针仪表获得线性的均匀刻度，还特变适用于与数字仪表配合使用。另外， 还有其他的一些提高线性度的方法，目前行之有效的方法大致有两种。第一：利用对管的两个be结将三极管的基极与集电极短路，与发射极组成一个结，分析在不同电流，下工作， 由此获得两者电压之差-与温度成线性函数关系，即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结的线性度和精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体

44、，构成集成电路温度传感器。第二：Okira Obte等人提出的采用电流函数发生器来消除非线性误差由（2.2.1-5）式可知， 非线性误差来自项，利用函数发生器使I比例例于绝对温度的次方， 则-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。 响应时间小由于PN结的体积小，所以热容量很小，热平衡时间极短，因此响应时间很快很容易达到0.1到10秒级 测温灵敏度可以通过电流来调整在试验中发现对一同一个硅PN结，正向电流不同，其灵敏度也不同，正向电流越大灵敏度越低，正向电流减小灵敏度增高。这一特性非常重要：可通过正向电流来微调灵敏度，同时可以由正向压降直接测算灵敏度。根据这一特

45、点可制出特殊的测温调节器。另外PN结还具有体积小、稳定性好、抗磁场干扰能力强等优点。4 结束语本课题对不同的半导体材料、不同的半导体PN结器件(二极管类型)，主要测量型号有2cp11，1N4007型二极管，FG314050型发光二极管，2CW117型二极管，普通的2CN2型二极管以及用来作对照实验的S9014型三极管。分别开展其正向电压降与温度关系特性的测量实验及研究，主要研究PN结灵敏度以及线性度的差异，为合理选用PN结制做温度传感器提供选择依据。实验结果表明用二极管PN结的温度特性做常规范围内的温度传感器，其灵敏度相对误差，标准差，线性误差等各种误差都在7%左右，而且温度灵敏度系数S较大，都在-2.3mV左右，二极管PN结的离散型、可重复性、可逆性都能符合温度传感器的要求。