二极管的温度特性及应用实例研究.docx
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二极管的温度特性及应用实例研究
二极管的温度特性及应用实例研究
编号091002303
毕业论文
（2013届本科）
题目:
二极管的温度特性及应用实例研究学院:
物理与机电工程学院专业:
物理学作者姓名:
陈立娟指导教师:
南雅公职称:
副教授完成日期:
2013年5月23日
二0一三年五月
河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明
本人郑重声明:
所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名:
二〇一三年五月二十日
河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告论文题目二极管的温度特性及应用实例研究
物理与机电
学生姓名陈立娟所属学院专业物理学年级09级
工程学院
指导教师南雅公所在单位河西学院职称副教授开题日期2012.12.15
选题的根据:
选题的理论、实际意义并综述有关本选题的研究动态和自己的见解
本论文着眼于二极管的温度特性及应用实例研究，重点探讨温度对二极管正反向特性的影响，设计出一个简易温度调节器（传感器）电路。
该调节器，用于液氮气流式恒温器中77-300K范围的温度调节控制，它是通过给集成运算放大器uA741加电压U和U作为参考电压的，设定的温度也由U给定，U随温敏二极管的温rxrx
度变化而变化。
uA741的输出按差分电压的变化而变化，并驱动由晶体管构成的电流控制器，控制加热器加热。
经过分析，本人认为理解和把握简易温度调节器的内部组成、工作流程是关键;弄清楚集成运算放大器在电路中的作用是突破口;而借助multism仿真平台来模拟电路的工作过程和输出波形，是实现上述设计目的有力保障。
通过本设计工作，以加深对简易温度调节器的工作特征及优越性的更深层次的理解，为以后从事相关方面的进一步学习和研发打下一个坚实基础和知识与技术储备，所以，该工作具有很重要的理论和现实意义。
论文的主要内容、基本要求及其主要的研究方法:
本论文主要着眼于对二极管的温度特性进行研究并对其进行应用。
在查阅大量文献的基础上，率先进行简易温度调节器电路的理论分析和设计。
借用数字模拟平台multism对整体电路进行仿真，结果表明有些指标还存在一定的问题，但基本达到设计要求，具有可行性。
并以此为基础进行实际电路的搭建、调试和测试。
论文进度安排和采取的主要措施:
2012.11.5——2012.12.15开题准备:
对二极管知识的系统学习和有关资料的研究;
2012.12.15开题;
2012.12.16——2013.01.21搜集整理资料;
2013.01.22——2013.03.10电路设计及利用multism软件仿真;
2013.03.11——2013.04.01搭建、焊接实物电路;
2013.04.02——2013.05.25整机调试及测试，撰写论文的理论部分。
主要参考资料和文献
[1]童诗白（模拟电子技术基础（第三版）[M]（北京高等教育出版社,2003（
[2]周淑阁,付文红,硕力更（模拟电子基础[M]（高等教育出版社.2004（
[3]刘杰（PN结物理特性研究中的问题及处理[J]（北京电力高等专科学校学报.2009,（11）（[4]王治昆,于旭东（PN结传感原理线性化分析[J]（河北建筑科技学院学报（自然科学版）,2005,（3）:
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（2）:
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[8]杨栈云,李世文,王俊惠（电子器件从原理分析到故障检修及系统应用[M]（科学出版社,2007（[9]苏中,李擎（基于仿真技术的加速度计标度因数温度补偿[J]（电子测量与仪器学报,2004,18（4）:
25-28（[10]刘笃仁,韩保君,刘勒（传感器原理及应用技术（第二版）[M]（西安电子科技大学出版社,2011（指导教师意见:
签名:
（亲笔签名）
年月日
学教研院室
意意负责人签名:
负责人签名:
见见年月日年月日
二极管的温度特性及应用实例研究..........................................................................................................10引言...........................................................................................................................................................1
1半导体材料的基本情况...........................................................................................................................3
1.1本征半导体..................................................................................................................................3
1.2掺杂半导体..................................................................................................................................4
1.2.1N型半导体.......................................................................................................................4
1.3PN结.............................................................................................................................................5
2二极管的特性...........................................................................................................................................6
2.1正向特性......................................................................................................................................6
2.2反向特性......................................................................................................................................7
2.3二极管的击穿问题......................................................................................................................9
2.3.1电击穿..............................................................................................................................9
2.3.2热击穿..............................................................................................................................9
3温度的影响.............................................................................................................................................10
3.1温度对二极管反向特性的影响.................................................................................................10
3.2温度对二极管正向特性的影响.................................................................................................114应用.........................................................................................................................................................11
4.1温敏二极管及其应用................................................................................................................11
4.1.1工作情况简介................................................................................................................11
4.2几个关键性指标........................................................................................................................12
4.3电路的实现................................................................................................................................14
4.3.1电路的搭建....................................................................................................................14
4.3.2电路的仿真....................................................................................................................15
4.3.3电路的调试....................................................................................................................165结论.........................................................................................................................................................17
参考文献:
................................................................................................................................................18
致谢..........................................................................................................................................................19
文献综述....................................................................................................................................................20
河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表....................................................................................23河西学院本科生毕业论文（设计）任务书............................................................................................24
物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表....................................................26河西学院
河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表........................................................................................27河西学院本科生毕业论文（设计）答辩记录表....................................................................................28
二极管的温度特性及应用实例研究
摘要:
二极管作为最基本的电子器件，是电子技术特别是集成电路、计算机等发展的基
础，在当今工业生产中扮演着不可替代的角色。
在影响二极管的诸多因素中，温度对
其的影响是不容忽视的。
当温度变化时，二极管的特性将会产生一系列的变化，所以
研究并利用二极管的温度特性具有十分重要的意义。
本文立足于半导体材料和器件的
发展状况，以二极管的基本结构、工作原理为基础，重点研究了二极管的温度特性，
并尝试设计了一种新型的简易温度调节器（传感器）。
它以温敏二极管为核心器件，在
性能上具有高灵敏度，低功耗，低工作电流和良好线性等特点。
通过运用multism仿
真软件，对整体电路及其关键性指标进行了模拟和优化设计，并搭建实现了实物电路。
关键词:
PN结;二极管;温度特性;简易温度调节器
Abstract:
Diodes,asthemostfundamentalelectronicdevices,alreadybecomethebasisofthedevelopingelectronictechnology,especiallyintegratedcircuit,computer,communication,etc.andplayanirreplaceableroleinindustrialproductionandlifenow.Therearemanyfactorsliketemperature,whichisaffectingthenormalworkingofdevices,andits’impactonthedevicescannotbeignored.Withthechangingoftemperature,aseriesofchangesofdiodescharacteristicswillappear.Therefore,it’seryvitalsignificanttostudythepropertiesofdiodestemperatureforutilization.Basedondevelopmentofsemiconductormaterialsanddevices,focusingonthetemperaturecharacteristicsofthediodes,thisarticletriestoconsideranddesignanewtypeofsimpletemperatureregulator（sensor）afterthebasicstructureandprincipleofdevicesunderstood.Ownedhighsensitivity,lowpowerconsumption,lowoperatingcurrentandgoodlinearitycharacteristics,itusesthermal-sensitivediodeasthecorecomponent.Theoverallcircuitanditskeyindicatorsweresimulatedandoptimizedbyusingmultismsimulationsoftware.Andwiththeassembling,weldinganddebugging,aphysicalcircuitisfinishedintheend.Keywords:
PNjunction;diode;temperaturecharacteristics;simplethermostat
0引言
二极管是最常用的电子元件之一，它最大的特性就是单向导电性，也就是当外加
正向偏置电压下电流只可以从二极管的一个方向流过，二极管可以应用于整流电路、
检波电路、稳压电路、各种调制电路，其原理都很简单，正是由于二极管等元件的发
明，才有我们现在丰富多彩的电子信息世界的诞生。
1
二极管又称晶体二极管，简称二极管（diode），另外，还有早期的真空电子二极管;它是一种具有单向传导电流的电子器件。
在半导体二极管内部有一个PN结，外加两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。
一般来讲，晶体二极管是一个由P型半导体和N型半导体烧结形成的PN结界面。
在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。
当外加电压等于零时，由于PN结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。
晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I。
当外加的反向电压高到一定程度0
时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
PN结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。
二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。
根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。
按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。
点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。
由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。
面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。
平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。
自60年代以来，随着半导体技术和测量技术的飞速发展，人们发现在电流一定的情况下，PN结的正向电压和温度之间呈现相当好的线性关系。
根据这一关系，可以利用二极管进行温度检测，并且相继研制出了专用的砷化镓和硅敏二极管，现已广泛用于-50?
~+150?
范围内的稳定测量。
硅温敏二极管是一种体积小、测温准确、便于集成化和多功能化的新型温度传感器，因而得到广泛的应用，它满足测温的特殊要求:
2
对温度有较高的灵敏度;正向电压V与温度T之间具有良好的线性关系。
在本文中讨f
论了二极管的一些基本性质，也讨论了利用PN结正向电压温度特性工作的温敏二极管的基本工作原理，特性以及应用。
1半导体材料的基本情况
二极管是一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结。
半导体有本征半导体和杂质半导体之分，而应用更为广泛的是杂质半导体。
杂质半导体是掺入了高价或低价杂质元素的半导体，相对于本征半导体，其导电性大大改善。
根据掺入杂质性质的不同可分为两种:
电子型半导体和空穴型半导体。
导电载流子以电子为主的半导体成为电子型半导体（即N型半导体），导电载流子以空穴为主的半导体称为空穴型半导体（即P型半导体）。
1.1本征半导体
本征半导体是纯净的半导体单晶。
所谓单晶就是在一块半导体内原子按晶格排列得非常整齐。
硅或锗的单晶在绝对零度时，即T=0K时，硅和锗的每个原子都以共价键的形式和它周围的原子结合并相互作用。
当温度升高时，有些原子中的价电子获得足够的能量，可以克服共价键的束缚，跑到晶格中，成为可以在晶格中自由运动的自由电子，而在原共价键中出现了一个空位置，成为空穴。
因此，只要产生一个自由电子，必然对应着一个空穴，即电子和空穴成对出现，称为电子空穴对。
温度越高，产生的电
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