内容发布更新时间 : 2024/12/23 22:53:02星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

专用电缆将主机测温电缆与实验装置相应的电缆座相连，数字多功能表输入端与实验装置的两接线柱相连.

2、打开主机电源开关，记下室温T0.

3、调节直流稳压电源，使直流电压输出最小，用连接线将直流电压输出与实验装置的两接线柱相连. 缓慢调节直流稳压电源，使直流电压输出为5V左右，若紫铜恒温体的温度逐步升高（半导体制冷片处于制热状态）.

4、关闭直流稳压电源，将输出的两根导线互换位置使半导体制冷片处于制冷状态. 5、关闭直流稳压电源，将输出的两根导线互换位置使半导体制冷片处于制热状态，打开电源，待紫铜恒温体的温度升高到100℃时，关闭电源停止加热；拔掉直流稳压电源上的两根电源线，观察半导体制冷片的热电势与温差的关系.

第四章 PN结正向特性综合实验仪

一．概述

PN结温度传感器相对于其它温度传感器来说，具有灵敏度高、线性好、热响应快、

易于实现集成化等优点。根据半导体理论可知，PN结的正向压降与其正向电流和温度有关，当正向电流保持不变时，正向压降只随温度的变化而变化。

本实验仪是在恒定的正向电流条件下，测试PN结正向压降与温度的关系，从而验证这一原理。本实验也是集电学、热学为一体的综合性实验，适用于大专院校的普通物理实验和有关专业的基础实验。

二．主要技术指标

1．测试恒流源IF ：输出电流0~1000μA ，连续可调，细度?1μA电流稳定度：10?3?2μA ，负载稳定度： 10?3 ；

2．加热电流：0.1~1A，步进值0.1A ，最大负载电压15V； 3．温度传感器AD590 :

测量范围：218.2K~423.2K?即?55?C~150?C?，测温精度：?1 ?C 输出电流：218.2μA~423.2μA?即1μA对应于绝对温度1K?；

14．正向电流、正向压降和温度的值分别用两组 3 位LED显示，精度：0.5%。

2三．仪器结构及说明

1．测试仪:

测试仪中的“VF输出及?V”输出端可供外部测量时用。测试仪由恒流源基准电压显示等部分组成，原理框图见图4：

在图4中，D为被测PN结，RF为IF的取样电阻，开关K用于选择测量对象和极性

变换的作用，其中P1, P2测量IF ,P1 , P3测量VF ,P1, P4测量?V电压。

恒流源有两组，其中一组提供正向电流IF，电流输出范围为0~1000μA，可连续调节；另一组用于加热，其控温电流为0.1~1A，步进值0.1A，可用于选择不同的加热测试温度。

基准电压源也有两组，一组用于补偿被测PN结在0?C或室温TR时的正向压降

VF?0?或VF?TR?，可通过面板上的“?V调零”电位器实现?V?0。此时若升温?V?0；

若降温?V?0，则表明正向压降随温度升高而下降。另一组基准电压源用于温度转换和校准，因为本实验采用AD590测温，它的输出电流按1μA/K变化，它与热力学温度成正比，根据欧姆定律，在串联电路中，1kΩ的取样电阻上将产生1mV/K的输出电压，若输出电压为21.28~423.2 ，那么相应的温度范围就是：

218.2~423.2K?即?55?C~?150?C?。为了方便地显示摄氏温度值，本仪器设置了一组

273.2mV的基准电压，经转换后输出电压变为?55mV~150mV，对应于摄氏温度?55?C~?150?C，这样不仅可以用三位半数字电压表显示，而且直接用摄氏温标（?C为单位）显示温度，更符合实验者的使用习惯。

上述的IF, VF和?V，可通过“测量选择”开关来选择测量，由另一量程为?1000mV的三位半数字电压表显示。另外，表示补偿PN结正向压降的?V电压和表示温度的VT电压均有输出接口，可供外部测量或记录仪记录使用。 四．使用步骤：

1．组装好加热测试装置，注意安装牢靠，螺丝要拧紧。 2．连接相应的导线。

3．打开机箱背后的电源开关，两组数字表即有指示，若发现数字乱跳或溢出，则应检查信号电缆插头是否插好或芯线有无折断、脱焊或检查待测PN结、测温元件连线是否正常。

4．将“测量选择”开关K拨到IF ，转动“IF调节”旋钮，把IF调节到需要数值，再将K拨到VF，VF也可改变，最后将K拨到?V，转动“?V调节”旋钮，使?V?0。

5．将“加热电源”用二芯专用线连至加测试装置上的二芯插座，并开启控温电流至

0.2A档，加热指示灯即亮，1～２分钟后，可见温度显示逐渐上升。至此，仪器进入正常运行。可选择不同大小的加热电流来改变温升速率。

6．仪器的温度测量值，出厂时已在0?C（冰水混合物）条件下进行了校准，仪器的“温度校准”请不要随意调节，以免温度测量失准。如发现仪器温度显示存在偏差，可在室温下用分辨率为0.1?C的标准温度表作标准，调节“温度校准”使数字温度表显示读数与标准温度表相同。

7．用户如需做0?C实验时，需自备有冰水混合物的容器。将加热装置置入容器中，等仪器显示温度为0?C时即可进行实验。 五．注意事项：

1．加热装置加热较长时间后，隔离圆筒外壳会有一定温升，注意安全使用。 2．仪器应存放于温度为0~40?C，相对湿度30%~85%的环境中，避免与腐蚀性的有害物质接触，并防止剧烈碰撞。

实验五 PN结正向压降与温度关系

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，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是温度特性呈非线性，且一致性较差，这对于仪表的校准和调节均感不便；测温电阻如铂电阻有精度高、线性好的优点，但灵敏度低且价格较贵；而PN结温度传感器则有灵敏度高、线性较好、热响应快和体小轻巧易集成化等优点，所以其应用势必日益广泛。但是这类温度传感器的工作温度一般为?50?C~?150 ?C，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，有待于进一步改进和开发。 一、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．在恒定正向电流条件下，测绘PN结正向压降随温度变化的曲线，并由此确定其灵敏度及被测PN结材料的禁带宽度。 3．学习用PN结测量温度的方法。 二、实验原理

理想的PN结的正向电流IF和正向压降VF存在如下近关系式： IF?Is?exp(q?VF) （1） k?T 其中q为电子电量； 为玻尔兹曼常数；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有关的系数，可以证明：

r IS?C?T?exp(?q?Vg(0)) （2）

k?T 其中C是与结面积、掺杂质浓度等有关的常数，r也是常数（见附录）；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：

VF?Vg(0)?(kCk?T?ln)?T?lnTr?V1?Vn1 （3） qIFqkCk?TV1?Vg(0)?(?ln)TVn1???lnTr 其中 ，

qqIF 方程（3）就是PN结正向压降对于电流和温度的函数表达式，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）中还包含非线性项Vn1 。下面来分析一下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)?Tk?TT??ln()r （4） T1qT1 按理想的线性温度响应，VF应取如下形式 V理想?VF1??VF1(T?T1) （5） ?T

?VF1?VF?VF为曲线的斜率，且T1温度时的等于T温度时的值。

?T?T?T由（3）式可得

?VF1Vg(0)?VF1k????r （6） ?TT1q 所以 V理想?VF1?????Vg(0)?VF1k???r??(T?T1) ?T1q??Tk??(T?T1)?r （7） T1q ?Vg(0)?(Vg(0)?VF1)? 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??kk?TT?(T?T1)?r??ln()r （8） qqT1 设T1?300 K，T?310 K，取r?3.4 , 由（8）式可得?V?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。