[终稿]温度传感器的温度特性测量实验

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1、温度传感器的温度特性测量实验【目的要求】测量PN结温度传感器的温度特性；测试PN结的正向电流与正向电压的关系（指数变化规律）并计算出玻尔兹曼常数。【实验仪器】FD-ST-TM温度传感器温度特性实验模块（需配合FD-ST系列传感器测试技术实验仪）含加热系统、恒流源、直流电桥、Pt100电阻温度传感器、NTC1K热敏电阻温度传感器、PN结温度传感器、电流型集成温度传感器AD590、电压型集成温度传感器LM35、实验插接线等）。【实验原理】“温度”是一个重要的热学物理量，它不仅和我们的生活环境密切相关，在科研及牛产过程中，温度的变化对实验及生产的结果至关重要，所

2、以温度传感器应用广泛。温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。常川的温度传感器的类型、测温范围和特点见下表。类型传感器测温范围/°c特点执八、、钳电阻-200-—650准确度高、测量范围大电阻铜电阻-50—-150镰电阻-60—-180半导体热敏电阳-50-—150电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差执八、、钳铐-钳(S)0—-1300电偶钳铐-钳铐(B)0—-1600用于高温测量、低温测量两大类、必须有恒温参银辂-银硅(K)0—-1000考点(如冰点)鎳俗-康铜(E)-200-——750铁-康铜(J)-40-—600其PN结温度传

3、感器-50-—150体积小、灵敏度咼、线性好、一致性差它IC温度传感器-50-—150线性度好、一致性好PN结温度传感器1.测试PN结的Vbe与温度变化的关系，求出灵敏度、斜率及相关系数PN结温度传感器是利川半导体PN结的结电压对温度依赖性，实现对温度检测的，实验证明在一定的电流通过情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。通常将硅三极管b、c极短路，用b、e极Zl'可的PN结作为温度传感器测量温度。硅三极管基极和发射极I'可正向导通电压Vbe--般约为600mV(25°C),且与温度成反比。线性良好，温度系数约为-2.3mV/°C,测温精度较高

4、，测温范围可达-50——150°Co缺点是-•致性差，互换性差。通常PN结组成二极管的电流T和电压U满足(1)式(1)I=lse^/kT-\在常温条件下,且eqU/KT))l时,(7)式可近似为(2)I=Ise(fU,kT(7)、(8)式中:q=1.602xlO-,9;C为电子电量，k=1.381x10~23J/A：为玻尔兹曼常数，T为热力学温度；Is为反向饱和电流；正向电流保持恒定条件下，PN结的正向电压U和温度t近似满足下列线性关系U二Kt+Ugo(3)(3)式中Ugo为半导体材料参数，K为PN结的结电压温度系数。实验测量如下图。图中用恒压源串接5

5、1K电阻使流过PN结的电流近似恒流源。2.玻尔兹曼常数测定PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础之一。模块通过专用电路来测最研究PN结扩散电流与结电压的关系，证明此关系遵循指数变化规律，并准确的推导出玻尔兹曼常数(物理学的重要常数之一)。由半导体物理学可知，PN结的正向电流——电压关系满足式(1),式(1)中，I是通过PN结的止向电流，h是不随电压变化的常数(漏电流)。T是热力学温度。e是电了的电荷量，U为PN结正向压降。由于在常温(300K)时KT/e^O.026V,而PN结正向压降约为几百毫伏,则exp(eU/KT)»1,则式(1)小-1项可忽略，

6、于是有：1=lseqU,kT⑵即：PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。如测出PN结T-U关系值，则利用式(1)可以求出e/KTo在测得实际温度T后就可以得到e/K常数，把电子电荷量代入即可求得玻尔兹曼常数K。在实际测量中，二极管的PN结I-U关系虽也满足指数关系，但求得的K往往偏小，这是因为通过二极管电流一般包括三个成分：［1］扩散电流，它严格遵循式(8)；［2］耗尽层复合电流，它止比于exp(eU/2KT);［3］表面电流，它是由Si和Si()2界面中杂质引起的。其值正比于exp(eU/mKT),-般m>2。因此为了准确的推导出K,不宜采用二极管，而

7、采用硅三极管，且接成共基极电路。因为此时三极管C和B短接，C极电流仅仅是扩散电流，复合电流主要在B极中出现。这样测量E极电流就能得到满意的结果。【实验内容】1.玻尔兹曼常数测定按实验要求接好电路。为保证改变1-U值时PN结温度不变，将PN结插入T井炉井内并将温度设定控制50°C(±0.1°C),调节电位器改变IL(UQ和5(Uo)值，每间隔0.02V测一点，约测10点左右，至U2值达到饱和吋（U2值变化很小或基木不变）结束测量。数据记录如下：t二50°CU1/V0.3000.3200.3400.3600.3800.4000.4200.4400.4600.4

8、80u2/v曲线拟合：运用最小二乘法将实验数据分别代入线性回归，指