大学物理实验报告23-PN结温度传感器特性
大学物理实验-温度传感器实验报告
关于温度传感器特性的实验研究摘要：温度传感器在人们的生活中有重要应用，是现代社会必不可少的东西。
本文通过控制变量法，具体研究了三种温度传感器关于温度的特性，发现NTC电阻随温度升高而减小；PTC电阻随温度升高而增大；但两者的线性性都不好。
热电偶的温差电动势关于温度有很好的线性性质。
PN节作为常用的测温元件，线性性质也较好。
本实验还利用PN节测出了波尔兹曼常量和禁带宽度，与标准值符合的较好。
关键词：定标转化拟合数学软件EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE NATURE OF TEMPERATURE SENSOR1.引言温度是一个历史很长的物理量，为了测量它，人们发明了许多方法。
温度传感器通过测温元件将温度转化为电学量进行测量，具有反应时间快、可连续测量等优点，因此有必要对其进行一定的研究。
作者对三类测温元件进行了研究，分别得出了电阻率、电动势、正向压降随温度变化的关系。
2.热电阻的特性2.1实验原理2.1.1Pt100铂电阻的测温原理和其他金属一样，铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性。
利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω（即Pt100）。
铂电阻温度传感器精度高，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器，本实验即采用这种铂电阻作为标准测温器件来定标其他温度传感器的温度特性曲线，为此，首先要对铂电阻本身进行定标。
按IEC751国际标准，铂电阻温度系数TCR定义如下：TCR=(R100-R0)/(R0×100) (1.1)其中R100和R0分别是100℃和0℃时标准电阻值（R100=138.51Ω，R0=100.00Ω），代入上式可得到Pt100的TCR为0.003851。
Pt100铂电阻的阻值随温度变化的计算公式如下：Rt=R0[1+At+B t2+C(t-100)t3] (-200℃<t<0℃) (1.2)式中Rt表示在t℃时的电阻值，系数A、B、C为：A=3.908×10−3℃−1；B=-5.802×10−7℃−2；C=-4.274×10−12℃−4。
大学物理实验：PN结
三 、实 验 装 置 实
PN结样品架 1、PN结样品架
A为样品室，是一个可 为样品室， 卸的筒状金属容器， 卸的筒状金属容器， 筒盖内设橡皮圈盖与 筒套具相应的螺纹， 筒套具相应的螺纹， 可使两者旋紧保持密 封。 待测PN PN结样管采用 待测PN结样管采用 3DG6晶体管 3DG6晶体管
P1
P2
一、实 验 目 的
1、了解PN结测温基本原理和应 了解PN结测温基本原理和应 PN 用 。 2、验证PN结正向压降随温度升 验证PN结正向压降随温度升 PN 高而降低的特性。 高而降低的特性。 3、学会使用PN结温度传感器测 学会使用PN结温度传感器测 PN 试仪。 试仪。
二、实 验 原 理
PN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。 PN结是指P型半导体与N型半导体相接触的部分。 结是指 在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N 在同一半导体材料晶片内掺杂形成P型导电区与N型导 电区相接触的截面形成了P 电区相接触的截面形成了P-N结 VF 一般来说， 一般来说，对于一个理想 的PN结，其正向电流IF和压降 PN结 其正向电流I VF 存在如下近似关系： 存在如下近似关系： P
2、∆VT曲线的测定 逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆ 逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的∆V和T， 在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃， 在整个实验过程中升温速率要慢，温度最好控制在120℃， 120℃ 记录数据填入数据表。 记录数据填入数据表。 （要求电压每下降-10V，记录一次温度） 要求电压每下降-10V，记录一次温度） 3、求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mv/℃） 求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S mv/℃ PN结正向压降随温度变化的灵敏度 方法是： 方法是：作△V-T曲线，其斜率就是S。最后再通过画曲线 曲线，其斜率就是S 求得。 求得。 T 0
PN结温度特性与伏安特性的研究
实验报告
课程名称普通物理实验2 实验项目PN结温度特性与伏安特性的研究专业班级姓名学号
指导教师成绩日期2022年9月11日
图1 PN结温度传感器
实验报告内容：一实验目的二实验仪器（仪器名称、型号）三实验原理（包括文字叙述、公式和原理图）四.实验内容与步骤五、实验原始数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（主要分析实验的误差来源和减小误差的方法，对实验过程和实验结果的评价和对实验方法或实验装置的建议等）八.思考题
也是常数；
,
温度时的
即为灵敏度
这是非线性项可知，
的普遍规律。
此外，由公式可知，减小
就可
图2 二线制电路图
图3 三线制电路图
图5 I F−V F曲线）求玻尔兹曼常数K并计算误差
K=q
T
ln
I F
2
I F
1
(V F
1
−V F
2
)=1.393(10−23J/K)
E=Δ
X ×100%=1.393−1.38
1.38
×100%=0.93%
图6 V F −T 曲线
）计算灵敏度S 和禁带宽度E g (0) 曲线得：
=∆V F ∆T ⁄=−0.0023(V ℃⁄)=−2.3(mV ℃⁄) E g (0)=qV g (0)=1.2026eV
六、实验结果。
半导体PN结实验论文-大物实验
半导体PN 结的物理特性及弱电流测量摘要：PN 结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。
PN 结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。
根据PN 结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。
PN 结温度传感器优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。
PN 结传感器的主要应用领域是工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。
关键词：PN 结；电信号；检测与控制。
Abstract: PN junction is the core components of bipolar transistor and field effecttransistor and the basis of Modern electronic technology.PN junction with unidirectionalconductivity is the characteristics of many devices in the electronic technology.For example, the material base of a semiconductor diode and a bipolar transistor.According to the materials, doping distribution, PN junction geometry and bias conditions, using the basic properties can produce the crystal diode with a variety of functions.PN junction temperature sensor has the advantages of high sensitivity, fast response speed, small volume, light weight, easy integration, intelligentdetection, can make the conversion of integration.The main application field of PN junction sensor is industrial automation, remote sensing, industrial robots, household appliances, environmental monitoring, medical care, medical and biological engineering.Key words: PN junction; signal; detection and control.1 前言随着信息时代的影响越来越深入，各种控制电路已经融入了人们的生活。
PN结的物理特性—实验报告
半导体PN 结的物理特性实验报告姓名：陈晨 学号：12307110123 专业：物理学系 日期：2013年12月16日 一、引言半导体PN 结是电子技术中许多元件的物质基础具有广泛应用，因此半导体PN 结的伏安特性是半导体物理学的重要内容。
本实验利用运算放大器组成电流-电压变换器的方法精确测量弱电流，研究PN 结的正向电流I ，正向电压U ，温度T 之间的关系。
本实验桶过处理实验数据得到经验公式，验证了正向电流与正向电压的指数关系，正向电流与温度的指数关系以及正向电压与温度的线性关系，并由此与计算玻尔兹曼常数k 与0K 时材料的禁带宽度E ，加深了对半导体PN 节的理解。
二、实验原理 1、 PN 结的物理特性（1）PN 结的定义：若将一块半导体晶体一侧掺杂成P 型半导体，即有多余电子的半导体，另一侧掺杂成N 型半导体，即有多余空穴的半导体，则中间二者相连的接触面就称为PN 结。
（2）PN 结的正向伏安特性：根据半导体物理学的理论，一个理想PN 结的正向电流I 与正向电压U 之间存在关系 ①，其中I S 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，e 为电子电量。
在常温（T=300K ）下和实验所取电压U的范围内， 故①可化为 ②，两边取对数可得 。
（3）当温度T 不变时作lnI-U 图像并对其进行线性拟合，得到线性拟合方程的斜率为e/kT ，带入已知常数e 和T ，便得玻尔兹曼常数k 。
2、反向饱和电流I s（1）禁带宽度E ：在固体物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距。
对一个本征半导体而言，其导电性与禁带宽度的大小有关，只有获得足够能量的电子才能从价带被激发，跨过禁带宽度跃迁至导带。
（2）根据半导体物理学的理论，理想PN 结的反向饱和电流Is 可以表示为③，代入②得 ，其中I 0为与结面积和掺杂浓度等有关的常数，γ取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取γ=3.4，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度．E 为0K时材料的禁带宽度。
PN结温度传感器性能的实验研究-毕业设计
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结温度传感器线性度Study for PN junction sensor experimental performance of thetemperatureAbstract: 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 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 characteristic 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 dynatron which are used for controlling experiment.Keywords: PN junction temperature sensor linearity目录前言.............................................................................................. 错误！未定义书签。
【大学物理实验(含 数据+思考题)】PN结正向电压温度特性研究实验报告
PN 结正向电压温度特性研究一、实验目的（1）了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。
（2）在恒流供电条件下，测绘PN 结正向电压随温度变化的关系图线，并由此确定PN 结的测温灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
二、实验仪器PN 结正向特性综合实验仪、DH-SJ5温度传感器实验装置。
三、实验原理1、测量PN 结温度传感器的灵敏度 由半导体理论可知，PN 结的正向电流I F 与正向电压V F 满足以下关系：I F =I n (ⅇqV FkT−1)（1）式（1）中I n 是反向饱和电流，T 是热力学温度，q 是电子的电量。
由于在常温（例如300K ）时，kT/q 约为0.026V ，而PN 结正向电压约为十分之几伏，所以ⅇ^((qV_F)/kT)≫1，故式（1）中括号内的−1项完全可以忽略，于是有： I F =I n ⅇqV F kT（2）其中，I n 是与PN 结材料禁带宽度及温度等有关的系数，满足以下关系：I n =CTγⅇqV g0kT（3）式（3）中C 为与PN 结的结面积、掺杂浓度等有关的常数，k 为玻尔兹曼常数，γ在一定温度范围内也是常数，V g0为热力学温度0K 时PN 结材料的导带底与价带顶的电势差，对于给定的PN 结，V g0是一个定值。
将式（3）代入式（2），两边取对数，整理后可得：V F =V g0−(k q ln C I F )T −kTqln T γ=V 1+V nr （4）其中V 1=V g0−(k q ln CI F)T （5） V n r =−kTqln T γ （6）根据式（4），对于给定的PN 结材料，令PN 结的正向电流I F 恒定不变，则正向电压V F 只随温度变化而变化，由于在温度变化范围不大时，V n r 远小于V 1，故对于给定的PN 结材料，在允许的温度变化范围内，在恒流供电条件下，PN 结的正向电压V F 几乎随温度升高而线性下降，即 V F =V g0−(k q ln CI F)T（7）为了便于实际使用对式（7）进行温标转换，确定正向电压增量∆V [与温度为0℃时的正向电压比较]与用摄氏温度表示的温度之间的关系。
2023年大学物理实验温度传感器实验报告
有关温度传感器特性旳试验研究摘要：温度传感器在人们旳生活中有重要应用，是现代社会必不可少旳东西。
本文通过控制变量法，详细研究了三种温度传感器有关温度旳特性，发现NTC电阻随温度升高而减小；PTC电阻随温度升高而增大；但两者旳线性性都不好。
热电偶旳温差电动势有关温度有很好旳线性性质。
PN节作为常用旳测温元件，线性性质也很好。
本试验还运用PN节测出了波尔兹曼常量和禁带宽度，与原则值符合旳很好。
关键词：定标转化拟合数学软件EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE NATURE OF TEMPERATURE SENSOR1.引言温度是一种历史很长旳物理量，为了测量它，人们发明了许多措施。
温度传感器通过测温元件将温度转化为电学量进行测量，具有反应时间快、可持续测量等长处，因此有必要对其进行一定旳研究。
作者对三类测温元件进行了研究，分别得出了电阻率、电动势、正向压降随温度变化旳关系。
2.热电阻旳特性2.1试验原理2.1.1Pt100铂电阻旳测温原理和其他金属同样，铂(Pt)旳电阻值随温度变化而变化,并且具有很好旳重现性和稳定性。
运用铂旳此种物理特性制成旳传感器称为铂电阻温度传感器，一般使用旳铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω（即Pt100）。
铂电阻温度传感器精度高，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～650℃）最常用旳一种温度检测器，本试验即采用这种铂电阻作为原则测温器件来定标其他温度传感器旳温度特性曲线，为此，首先要对铂电阻自身进行定标。
按IEC751国际原则，铂电阻温度系数TCR定义如下：TCR=(R100-R0)/(R0×100) (1.1)其中R100和R0分别是100℃和0℃时原则电阻值（R100=138.51Ω，R0=100.00Ω），代入上式可得到Pt100旳TCR为0.003851。
Pt100铂电阻旳阻值随温度变化旳计算公式如下：Rt=R0[1+At+B t2+C(t-100)t3] (-200℃<t<0℃) (1.2)式中Rt表达在t℃时旳电阻值，系数A、B、C为：A=3.908×10−3℃−1；B=-5.802×10−7℃−2；C=-4.274×10−12℃−4。
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天津大学
物理实验报告
姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：
【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】
1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律
2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数
3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流
4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度
5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】
半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】
1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：
]1)/[ex p(0-=kT eU I I (1)
当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：
0exp(/)I I eU kT = (2)
也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。
若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出
/e kT 。
在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。
实验线路如图1所示。
2、弱电流测量
LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。
其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。
运算放大器的输入电压0U 为：
00i U K U =- (3)
式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。
因而有：
00(1)
i i s f f
U U U K I R R -+=
= (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为
00
1i f f x s U R R Z I K K =
=≈+ (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：
图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图
图2 电流－电压变换器
i s f
r U U I Z R =
=- (6) 只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。
3、PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量。
当PN 结通过恒定小电流（通常100I A μ=），由半导体理论可得be U 与T 的近似关系：
be go U ST U =+ (7)
式中 2.3/o
S mV C =-为PN 结温度传感器灵敏度。
由go U 可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go go E qU =。
硅材料的go E 约为1.20eV 。
【实验内容】
（一）c be I U -关系测定，并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数（1be U U =）
1、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压1U 和相应电压2U 。
1U 的值约从0.30V 至0.50V 范围，每隔0.01V 测一相应电压2U 的数据，至2U 达到饱和(2U 变化较小或基本不变)。
在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度θ，取温度平均值θ-。
2、改变干井恒温器温度，待PN 结与油温一致时，重复测量1U 和2U 的关系数据，并与室温测得的结果进行比较。
3、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法将实验数据代入指数函数()21exp U a bU =。
求出相应的a 和b 值。
4、玻尔兹曼常数k 。
利用/b e kT =，把电子电量e 作为已知值代入，求出k 并与玻尔兹曼常数公认值（
图3 图4
230 1.38110k -=⨯）进行比较。
（二）be U T -关系测定，计算硅材料0K 时近似禁带宽度go E 值。
1、通过调节图3电路中电源电压，使上电阻两端电压保持不变，即电流100I A μ=。
同时用电桥测量铂电阻T R 的电阻值，得恒温器的实际温度。
从室温开始每隔5℃－10℃测一组be U 值，记录。
2、曲线拟合求经验公式：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数(它们是物理学中最常用的基本函数),然后求出衡量各回归程序好坏的标准差δ。
对已测得的1U 和2U 各对数据，以1U 为自变量，2U 作因变量，分别代入：(1)线性函数21U aU b =+；(2)乘
幂函数21b
U aU =；（3）指数函数21exp()U a bU =⋅，求出各函数相应的a 和b 值，得出三种函数式，究
竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验。
办法是：把实验测得的各个自变量1U 分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值*
2U ,并由此求出各函数拟合的标准差：
δ=
用最小二乘法对be U T -关系进行直线拟合，求出PN 结测温灵敏度S 及近似求得温度为0K 时硅材料禁带宽度go E 。
【注意事项】
1. 数据处理时，对于扩散电流太小(起始状态)以及扩散电流接近或达到饱和时的数据，在处理数据时应删去，因为这些数据可能偏离公式(2)。
2. 必须观测恒温装置上温度计读数，待TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录1U 和2U 数据。
3. 本实验，TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。
4. 仪器具有短路自动保护，一般情况集成电路不易损坏，但请勿将二极管保护装置拆除。
【数据记录】（数据仅供参考）
1、c be I U -关系测定。
室温条件下:1θ =25.90℃，2θ =26.10℃，θ-
=26.00℃
2、电流I ＝100uA 时，be U
T -关系测定。
【数据处理】
1、曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数：
根据要求用最小二乘法处理数据，假设PN 结电流和电压的关系满足0exp(/)I I eU kT =,所以先要
对公式0exp(/)I I eU kT =进行线性化处理。
由于U 2和I 是线性关系,即I =A*U 2,A 可视为微小电流转换为电压的转换系数。
首先以U 2替换I ，公
式变化为A 201exp(/)U I eU kT =
两边取对数：201ln ln /U I eU kT =+-lnA, 令： lnU 2=y,U 1=x,ln Io -lnA=,e/Kt=b 上式变化为： y a bx
=+
根据最小二乘法的计算公式：
2
2
)
(x x y x xy b x
b y a -⋅-=
-= )
)((2222y y x x y x xy r --⋅-=(P 27页)
,11i n i x n x ∑== ∑==n i i x n x 122
,1 ∑==k i i y k y 1,1 ∑==n i xy n xy 1
1
列表计算：（双击该表可见计算过程）
由此可知，相关系数r=0.99972,指数拟合的很好，也就说明PN 结扩散电流-电压关系遵循指 数分布规律。
计算玻尔兹曼常数，由表中数据得
4/38.79(273.1526.00) 1.16010/e k bT CK J ==⨯+=⨯
则：19-23
4
1.60210 1.3810/ / 1.16010
e k J K e k -⨯===⨯⨯测 2、求PN 结温度传感器的灵敏度S ，0K 时硅材料禁带宽度go E 。
用作图法对be U T -数据进行处理：（图省略）所画的直线的斜率，即PN 结作为温度传感器时
的灵敏度 2.30/s mV K =-，表明PN 结是负温度系数的。
截距 1.30go U V =（0K 温度）； 则 1.30go E eU ==电子伏特。
【实验结果】
1、测量值-231.3810/ k J K =⨯测与公认值23
0 1.38110/k J K -=⨯相当一致。
-23
01.3810/A 100%0.08%k J K k k k ⎧⨯⎪
-⎨
⨯=⎪⎩
测0测＝＝ 2、硅在0K 温度时禁带宽度公认值 1.205go E =电子伏特，上述结果与实际大小基本吻合。
由于PN 结温度传感器的线性范围为－50℃－－150℃，在常温时，非线性项将不可完全忽略，所以本实验测得
1.30go E =电子伏特是合理的。
【问题讨论】
谈谈自己对本实验的体会与建议等。
禁带宽度(Band gap )是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取
值的，而是一些不连续的能带。
要导电就要有自由电子存在。
自由电子存在的能带称为导带（能导电）。
被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。
锗的禁带宽度为0.66ev ；硅的禁带宽度为1.12ev ；砷化镓的禁带宽度为1.43ev 。
禁带非常窄就成为金属了，反之则成为绝缘体。
半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关。
实验结果：。