PN结正向压降温度特性实验的几点改进措施

　　1　引言

　　PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、响应快、体积小和成本低等特点,特别在温度控制、温度测量数字化以及温度实时采集和处理等方面,具有其他温度传感器所不能相比的优越性,因此PN结温度传感器已经成为一种广泛应用的测温元件。了解PN结温度传感器的基本原理具有重要的意义。大学物理实验中开设PN结正向压降温度特性实验不仅让大学生熟悉PN结温度传感器的基本原理,而且让他们初步了解传感器的原理与应用。

　　2　实验原理与实验仪器

　　2·1　实验原理

　　对于一个理想PN结,正向电流IF与正向压降VF存在如下关系:

　　其中V_g(0)是0K是PN结禁带宽度,C是与结面积和掺杂浓度等有关的常数,γ是取决于少数载流子迁移率对温度关系的常数。正向压降VF的线性部分V₁、非线性部分V_n1可以表示为

　　当温度变化范围不大(γ较小)V₁远大于V_n1。因此,在恒电流供电的情况下正向压降VF近似等于其线性项,即随着温度的上升,正向压降线性下降,这就是PN结温度传感器的基本原理。许多工科院校均开设了PN结正向压降温度特性这一验证PN结温度传感器基本原理的物理实验。

　　2·2　实验仪器

　　PN结正向压降温度特性研究采用TH-J型PN结正向压降温度特性组合仪,组合仪由样品室和测试仪两部分组成。样品室内主要有加热器及二个三极管,三者均固定在黄铜底座上,其中一个三极管3DG6基极b与集电极c短接作为正极,发射极e作为负极,以发射结作为PN结,另外一个三极管作为测温模块AD590的传感头。测试仪由恒流源、基准电源、测温模块AD590和显示模块等单元组成,并可通过“测量选择”开关来切换显示I_F、V_F。及电压变化量ΔV,另外仪器面板上还有IF调节、ΔV调零、温度调节校准和输出接口等。

　　3　存在问题与改进措施

　　3·1　温度校准与起始温度的选取

　　PN结正向压降温度特性测试仪温度校准采用冰水混合物在一个大气压下的温度0℃来校准,而采用水银温度计校准,那么测试仪温度误差则附加了水银温度计误差。

　　起始温度的选取首先考虑室温,但由于要下降到室温用时过长,可以选择一高于室温的温度,为了使最高温度不超过120℃,因此根据ΔV下降120mV,温度上升约60℃(由于PN结的不一样略有差别),并保留一定余量,因此,起始温度选择低于50℃即可满足最高温度不超过120℃。要使PN结温度迅速下降,可采取取下样品室套筒,采用吹风降温或者使样品室套筒与黄铜底座紧密接触散热的方法,尤其是后一种方法利用了热传递的方式,能使温度很快下降到接近室温,这一方法有利于实验数据误差较大的学生重新实验,也节约下一组学生开始实验的等待时间。