PN结伏安特性计算机自动测试-201508修编

请同学们带上U盘，该讲义需彩打。PN结伏安特性计算机自动测试［目的与要求］.了解PN结伏安特性与温度的关系；.学习PN结伏安特性自动测试系统的设计方法；.掌握PN结伏安特性计算机测试应用技术；.训练利用计算机自动测试系统进行物理实验研究的能力。［仪器与器材］TS-B4型温度传感综合技术实验仪；2.磁力搅拌电热器；3.PC;4.数字万用表；5.烧杯；6.PN结、热敏电阻；7.导线若干；8.自带U盘。［原理］一、PN结及其伏安特性通过某种半导体制作工艺，往p型半导体基片的局部区域掺入n型杂质，在掺入的n型杂质浓度超过p型基片杂质浓度的地方转型为n型半导体。这时在基片内便形成了p型和n型两种半导体的交接，称为p-n结。p-n结是半导体器件的基本结构，有关它的电学性能的详细论述见文献［1］。宏观上作为一个电路元件其伏安特性的数学表达式为：Id=Is［exp(qV/KbT)-1］(1)其中：Is——反向饱和穿透电流；Kb——玻尔茨曼常数；q电子电荷；Tp-n结所在环境的绝对温度值；V——p-n结两端的电压，p端电位高于n端电位时其值为正，反之为负。由(1)式可以看出p-n结具有以下特点：1、p-n结具有单向导电性。承受正向电压时，一般满足exp(qV/KbT)>>1条件，所以正向电流随V的增加按指数上升；承受反向电压时，反向电流的变化范围0—Is之间，而Is与V无关，数值也很小。2、根据半导体物理的理论分析，温度对反向饱和穿透电流Is影响很大，随着温度升高其值迅速增大。所以p-n结伏安特性曲线的走势与温度的关系密切。图1为利用本实验仪提供的计算机自动测试系统测得的不同温度下的p-n结伏安特性曲线。3、从图1示的测量结果可看出：一定的测温范围内，当流过p-n结的电流恒定并大于一定值时，p-n结结电压随温度的增加而线性下降。因此，p-n结也可作为温度传感元件用在温度测量和温度检测系统中。班戢电阻温度传感器为:"温株头的PN给伏安特1主的测试给果图1【实验内容和步骤】1.同步测定PN结的温度〜电压特性和热敏电阻的温度〜电阻特性。测量要求：温度范围tjC〜t3℃,每隔5c测出PN结结电压V。以及热敏电阻的阻值R。温度传感器参数要求：测温范围11c〜t3℃,电源电压M=3V,传感器最大输出电压V3=3Vo【步骤】?.测出当前环境温度k和R值。?.将数字万用表扳至电阻档20kC,热敏电阻放入盛有水的烧杯中，后端接至万用表上。?.将PN结放入烧杯中，用导线把实验仪器前面板按图2示连接，就组成了图3示的PN结结电压随温度变化特性曲线的测试电路。

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（成都驾划科会仪器商果公司研制）0E3®0逋画叵鲍0叵邈0数字湛度计谀计提块国调节ICC-TZP^O0©-JVJOICUD，rf调彳PN结2V|CM—szH―数字万用表黑〒虹〔I峭）图2图2图3?.接通TS-B4电源，开启加热器，在升温过程中测出每隔5c白RR值和PN结结电压V）值，数据记录于表1和表2中。?.在EXCEL中用最小二乘法算出热敏电阻材料常数Bn值，打开TS-B4-TV变换电路设计软件，计算出R、R值；热敏电阻的理论阻值和传感器的输出电压V0值，计算结果记录于表1中。数据记录:表1热敏电阻Rt及温度〜电压数据环境温度k=C；R=kQ;B=K;R=k0;R=kQ温度t(C)303540455055606570Rt(kC)Rt理论值（kG）V0(V)表2PN结温度〜电压数据温度t(C)303540455055606570PN结结电压（mV数据处理要求：以表2数据为依据，以温度为横坐标（C），以V0（mV为纵坐标绘制PN结的温度〜电压特性曲线。在上述测温范围内几乎是一条直线，根据这一直线与电压轴交点的电压值V00及斜率就可推断出在允许的测温范围内任一温度的电压值。可利用EXCEL处理数据及作图。2.PN结不同温度下伏安特性曲线计算机自动测试测量要求：温度范围t〔C~t3C,每隔5〜10c计算机自动测定PN结伏安特性。测定2〜3条曲线即可。【步骤】?.断开TS-B4电源，将温度传感器电路中Ri、R2、R3调至实测Rti的阻值，Ri、R2调至R值，Ri、R2调至R值，接通TS-B4电源，将Rt拔出，Va调至3V。?.按图4所示连接电路，万用表接至V。端，将Rt拔出。对传感器进行零点和量程校准。零点校准：将电阻箱扳至热敏电阻在tjC的阻值并接至Rt位置处（即Ri）,用数字万用表2V档观察输出端电压是否为零，若不为零，微调R旋钮，使其为零。量程校准：将电阻箱扳至13c的阻值（即R3）,并接至Rt位置处，用万用表20V档观察输出电压是否为3V,若不是3V,微调M调节旋钮，使其为3V。?.用导线把实验仪器前、后面板按图4和图5连接，就组成了一个PN结不同温度下伏安特性曲线计算机自动测试系统。Vintvi*数字温度讨设计模块TAEH型温度传感辱合技术实验仪《成都第创科教长器有限公司耕制）热就电明00COMvt-O。Vbv审节OoVrfYrF圜节图5?.按以下步骤进行PN结不同温度下伏安特性曲线计算机自动测试实验:①.开启计算机，打开本实验仪提供的配套软件PNTesto.点击图标启-,计算机屏累出现如图6小界面。唬障也4MPw&OUHiti当加印1：图67示界面。7示界面。卜：・王尊.riTixt■匚在।■匚在।哥首”:mB4D(71»T於M・%晶n图7.点击“参数设置”下属的“串口设置”，计算机屏幕出现如图8示界面。«»T图8«»T图8.选好合适的串口（一般情况下是COM1）后，点击“确定”，计算机屏幕自动退回到图7示界面。.点击图7示“参考电压”按钮，计算机屏幕出现如图9示界面用数字万用表测量仪器后面板“Vrf”插孔的电压值，并把读数输入到图9的“参考电压”栏内，然后点击“确定”，计算机屏幕又自动恢复到图7示界面。图910示界面。.点击图10示界面。C®*图10把本系统使用的由热敏电阻作为热探头的温度传感器的温度一电压特性的数据（即表中数据）按以下方式输入计算机内：.从tiOC开始每间隔50c输入一次。.每输完一组数据后，点击一次“确定”，数据的输入结果会显示在图10界面下面的栏目内。.全部数据输完后，点击“退出”按钮。退出图10示的界面后计算机屏幕自动回复到图6示。如果需要保存温度传感器的特性数据点击图6中的“文件（F）按钮，建立一个文件名后可保存在桌面上，备以后需要时使用。⑧・计算机自动测试系统的校准调试（1）电压坐标轴的校准・在图4、图5连接不变的基础上，把仪器后面板的两个钮子开关都拨向左侧（后面板正对实验操作人员）。・点击图7示界面中的“坐标轴校准”，这时在与电压坐标轴550mV处垂直的直线上出现了一些红色小点，这表示计算机系统给出的模数转换电压应该与硬件设备加在PN结两端的电压为550mV状态对应。观察图5中所接的数字万用表的读数，是否为550mV?如果不是550mV,调节调节仪器后面板的“X调节”使数字万用表的读数为550mV。（2）电流坐标轴的校准•如图4示连接仪器前面板。•如图11示连接仪器后面板，把仪器后面板的开关K2拨向“给定”一侧。调节丝定调节”电位器使数字万用表的读数为0.2mA。外接用造6E理温度传感妹合技术雌仪112示计算机显示屏幕。12示计算机显示屏幕。图11・点击计算机左上角的“测试控制”菜单，会出现如图图12，计算机屏幕改为图・点击图12示计算机屏幕“测试控制”菜单下的“随时测试”，计算机屏幕改为图13所示。叱伸隹.p«结俄耕胜局渣当触曲七r?三4'[Varttti叫]-.®*'.C三It1图13

点击“测试”按钮后，计算机运行自动测试程序，由于仪器后面板开关至“给定”一侧，计算机屏幕将出现一条从左向右的扫描直线（如图14示）。调节“丫调节”电位器旋钮，使这一扫描线与屏幕显示的0.2mA坐标线重合。图14图14⑨.任意温度下PN结伏安特性的随时测定仪器前、后面板德连线回复到如图4和图5状态。把仪器后面板的开关K2拨向“扫描”一侧。点击图12示计算机屏幕“测试控制”下属的“清除数据”按钮。在室温情况下按上述操作，用计算机自动测试系统测试PN结伏安特性启动加热设备，从当前温度开始，每间隔5〜10°C对PN结伏安特性进行一次测量。图

15是在某一温度下的测试结果.・点击图15示计算机界面左上角“数据处理”菜单后，计算机屏幕将出现如图16示“数据处理”菜单两个下属按钮：“清除坏点”和“平滑滤波”。依次点击“清除坏点”和“平滑滤波”按钮后，最后结果为图17示。图15工时却厘通通1琳的当苜・即：MsrAH工时却厘通通1琳的当苜・即：MsrAH9R宏物在i!试FJTexI:图16EE®I优惮省：HEE®I优惮省：H图17⑩.不同温度下PN结伏安特性的定温测定・点击计算机左上角的“测试控制”菜单，然后点击下属的“定温测试”按钮，会出现如图18示计算机显示屏幕。