PN结正向压降温度特性的研究和应用
发布时间:2024-11-08
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PN结正向压降温度特性的研究和应用
物理实验第20卷第7期
7
PN结正向压降温度特性的研究和应用’
陈水桥
(浙江大学物理系杭州310027)
摘
要
分析了PN结正向压降的温度特性,并通过对硅材料二极管的测定,使学生对PN结温度传感器有所了解.
关缝词PN结温度传感器
早在60年代初,人们就以极大的兴趣尝试利用PN结正向压降随温度升高而降低的特性将PN结作为测温元件,但由于当时PN结的参数不稳定,始终未能进入实用阶段.随着半导体器件工艺水平的提高以及人们不断的探索,到了70年代末,PN结以及在此基础上发展起来的晶体管温度传感器,已成为一种新的测温技术,话跃在各个应用领域.
这就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式,它是PN结温度传感器的基本方程.令矗=常数,则正向压降只随温度丙变化.但是在方程(3)中,除线性项yt外还包含非线性项yd.下面分析y“项所引起的线性误差.
设温度由丁,变为丁时,正向压降由yr。变
为n,将丁。代入(3)式得¨。,由n。表达式
解出鲁ln(石C),代入(3)式可得
1
实验原理
对于一个理想的PN结,其正向电流矗和
VF=Vs(。)一[y。(。)一y,,)亍T:一k口T1n(丢)7
(4)
压降坼存在如下近似关系
按理想的线性温度响应,V,应取如下形式
I,=Isexp(喾)
㈨
其中q为电子电荷,志为玻尔兹曼常数,?为绝对温度;I。为反向饱和电流,是与PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数,可以证明
y囊 =y,。+丌8
而VFl等-于丁,温度时的导笋值.由(3)式可得
VFl(丁一丁。)
(5)
I。一CTrexp[一掣](2)
所以
其中C是与结面积和掺杂浓度等有关的常数,r也是常数(r的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系,通常取r=3.4m),V。(O)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
‰巩+[一学1一争r](丁也)=
、
1
务一一半一鲁r㈤
V
,
K(o)一[L(o)一n,)署一口k.-生-(T—r-)r(7)
由理想线性温度响应(7)式和实际响应(4)式相比较,得实际响应对线性响应的理论偏差为
Vr—y。c。,一(鲁,n£)丁一
竿ln7V—yl+V。l
(3)
△一‰吨=鲁啦;--T)+kqTIn㈤7
(8)
其¨叱(o)一》罢)丁肌一等-nr
设T,=300K。T一310K,取,.一3.4,由
万方数据 浙江大学“211工程”及“物理实验基础课程建设基金“赍助建设项目
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(8)式可得△为0.048mV,而相应的yF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,yr温度响应的非线性误差将有所递增,这主要由于,.因子所致.
综上所述,在恒流供电条件下,PN结的n
对丁的依赖关系取决于线性项yl,即正向压降几乎随温度升高而线性下降,这就是PN结测温的依据.必须指出,上述结论仅适用于杂质全部电容离、本征激发可以忽略的温度区间(对于通常的硅二极管来说,温度范围约一50~150℃).如果温度低于或高于上述范围,由于
杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加,%一
丁关系将产生新的非线性,这一现象说明¨一丁
的特性还随PN结的材料而异,对于宽带材料(如GaAs)的PN结,其高温端的线性区则宽;而材料杂质电离能小(如InSb)的PN结,则低温端的线性范围宽.对于给定的PN结,即使在杂质导电和非本征激发温度范围内,其线性度亦随温度的高低而有所不同,这是非线性项
,|2V.
1
Vd引起的.由V。-对T的二阶导数:专并=寺,
U』
』
可知等的变化与T成反比.所以yr—T的线
一1厂U』
性度在高温端优于低温端,这是PN结温度传感器的普遍规律.此外,由(4)式可知,减小矗,可以改善线性度,但并不能从根本上解决问题,目前行之有效的方法大致有两种:
1)利用对管的两be结(将三极管的基极与集电极短路,与发射极组成一个PN结),分析在不同电流矗。,矗。下工作,由此获得两者电压
之差(yF。一¨2)与温度成线性函数关系,即
lT
,r、
y,,一¨,=竺三lnl善l
g
\』F2/
由于晶体管的参数有一定的离散性,实际与理论仍存在差距,但与单个PN结比其线性度与精度均有所提高,这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体,构成集成电路温度传感器.
2)OkiraOhte等人提出的采用电流函数
发生器来消除非线性误差.由(3)式可知,非
线性误差来自r项,利用函数发生器,使J,比例于绝对温度的r次方,则n一丁的线性理论万方数据
物理实验第20卷第7期
误差为△=0,实验结果与理论值颇为一致,其精度可达0.01℃.2实验装置
实验系统由样品架和测试仪两部分组成.样品架的结构如图1所示,其中A为样品室,是一个可卸的筒状金属容器,筒盖内设橡皮O圈盖与筒套具相应的螺纹,可使两者旋紧保持密封.待测PN结样管(采用3DG6晶体管的基极与集电极短接作为正极,发射极作为负极,构成一只二极管)和测温元件(AD590)均置于铜
座B上,其管脚通过高温导线分别穿过两旁空
一芯细管与项部插座P连接,通过P将被测PN结的温度和电压信号输入测试仪.加热器H装在中心管的支座下,其发热部位埋在铜座B的中心柱体内.
p
H
A
TB
A样品室B样品座D待测PN结
T测温元件H加热器P为D和T的引角线
图1样品架的结构
测试仪由恒流源、基准电源和显示等单元组成.恒流源有两组,其中一组提供厶,电流输出范围为0~1000btA连续可调,另一组用于加热,其控温电流为0.1~1A,分为十档,逐档递增或递减0.1A.基准电源亦分两组,一组用于补偿被测PN结在0"C或室温丁R的正向
压降%(O℃)或¨(丁R),可通过设置在面板
上的“△y”调零”电位器实现△y=0,并满足此时若升温,△y<O,若降温,则△y>0,以表明正向压降随温度升高而下降.另一组基准电
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源用于温标转换和校准,因本实验采用AD590恒流源温度传感器测温(属美国产的AD系列产品),其输出电流以IpA/K正比于绝对温度,由于输入ICL7107模块需要电压信号,在AD590模块中串联一个1kn的电阻,把恒流源转化为恒压源输出,对应输出电压为lmV/K正比于绝对温度。因为它的工作温度范围为218.2--一423.2K(即一55~+150℃),所以相应输出电压为218.2~423.2mV.实验要求配置
首先对实验系统进行检查与连接,然后将样品室埋入盛有冰水混合物的杜瓦瓶中降温,待温度冷却至O℃时,调整工作电流J,为某一固定值(本次测量设定I,=50弘A),测量得yF(0℃)一674.3mV,由“△y调零”使△V=0.3.2△y一丁曲线的测定
取走杜瓦瓶,开启加热电源,逐步提高加热电流进行变温实验,并记录对应的△y和丁.应该注意:在整个实验过程中升温速率要慢,且温度不宜过高,最好控制在130℃以内.实验结果如图3所示.由此求得被测PN结正向压降
4÷位的LED撮示器(与ICL7107模块相连),
为了简化电路而又保持测量精度,设置了一组273.2mV的基准电压(相当于AD590在0℃时通过其它电路输出的电压),其目的是将上述的绝对温标转换成摄氏温标,则对应于一55~4-150℃的工作温区内,输给显示单元的电压为一55~150mV.可采用量程为±200.0mV的
随温度变化的灵敏度S=2.14mv/℃.
3÷位LED显示器进行温度测量.另一组量程
为±1000mV的3÷位LED显示器用于测量厶,yr和△V,可通过“测量选择”开关来实现.
此外,仪器设有yT(温度数字量)和△y的输出口,可供X—y函数记录仪使用.测量的框图如图2所示.DS为待测PN结,R为J,的取样电阻,开关K起测量选择与极性变换作用,其中尺,P测IF;P,D测VF;S,P测AV.
广一一一]
样品室
图3PN结正向压降温度特性曲线
3.3估算被测PN结材料(硅)的禁带宽度
根据(5)式,略去非线性项,可得被测PN结材料(硅)的禁带宽度E。(0)为
yg(OK)一VF(O℃)+Vr(,,06C)AT:
yF(O℃)+SAT=
674.3mV+2.14×273.2mV=1258.9mV
Eg(O)一g×yg(OK)一1.26eV
}匝丑扣亟乎也固
与公认值E。(0)=1.21eV比较,求得实验的相对误差为:E,=4.1%.4参考文献
1
AdvanceininstrumentionISA76V01.31part2
图2测量框图
2黄昆,谢希德.半导体物理.北京:高等教育出版
社,1982
3实验内容及讨论
3.1
(1998—12“31收稿,2000—03—24收修改稿)
万方数据
VF(O℃)或VF(丁R)的测量
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PN结正向压降温度特性的研究和应用
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
陈水桥, Chen Shuiqiao浙江大学物理系,杭州,310027物理实验
PHYSICS EXPERIMENTATION2000,20(7)8次
参考文献(2条)
1.Advance in instrumention ISA 76 Vol.31 part 22.黄昆.谢希德 半导体物理 1982
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7.期刊论文 张磊.任妹娟.赵学亮.Zhang Lei.Ren Meijuan.Zhao Xueliang 基于PN结传感器高精度数显井中水温仪
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8.学位论文 朱阳军 微电子器件热谱分析方法的研究 2007
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在第一章绪论里,介绍了使用电学方法探测微电子器件温度以及温度分布均匀性的研究背景和当前的研究现状以及本文选题的目的和意义。首次对标准电学方法所测结温即标电结温的物理意义进行了研究探索,并新辟途径采取了特殊的试验方法来论述半导体器件里几个温度的不等式关系。
在第二章“热谱曲线罩”,从半导体器件的红外热像图出发,专门针对器件的有源区,通过定量和定性的分析得出了温度分布谱线,并首次将这类图形与光谱曲线进行类比,将其定义为热谱曲线。半导体器件的红外热像图虽然给出了整个器件的温度分布信息,但是没有针对器件有源区进行定量和定性的分析,除了峰值结温特别有用以外,对器件有源区的结温缺乏便于直接应用的数据及其分析结果。因此,本章中使用独自编写的“红外热像图热谱分析软件”,根据比色法的原理,可以对任意选定的区域进行统计分析获取相关温度以及相关分御数据。通过套用编写的针对不同器件芯片的模板,选定器件的有源区,然后根据比色法对热像图中的选择区域进行了定量和定性的分析,统计出有源区内的所有温度值以及各温度值所占整个有源区的比例,进而给出了晶体管发射区的热谱曲线和发射区一维温度分布曲线。一维温度分布曲线简明扼要地给出了整个发射区的结温分布情况,由该曲线可以直接读取发射区的峰值结温和最低结温,还可以计算出平均结温。晶体管热谱曲线是表示晶体管结温不均匀性的一种比热像图简单明晰的新方法。本
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章中的热谱曲线是通过模仿光学的方法而得来,即温度的不均匀性和不均匀度均来自热像图,但是它却给后面的使用纯电学方法提供了验证的依据,即从热像图导出的热谱曲线也应该是从电学方法求索的热谱分析最终要得出的结果。在第三章“小电流过趋热效应”中,分别在模拟假设的结温分布和实际的结温分布中,通过理论和试验两方面验证了热谱分析方法的最基本理论之一一小电流过趋热效应。小电流过趋热效应在90年代中期被发现,并在后来被应用到利用双电流法判断结温分布不均匀性,但是一直没有得到完善系统全面的证明。本章研究内容中,首次针对实际结温分布中的小电流过趋热效应,从理论和试验两方面进行了全面的证明。
沿用上一章的研究方法,从实际的晶体管红外热像图中获取其热谱曲线,然后根据其温度和相应的归一化面积建立子管并联模型,并在此基础上通过理论计算和实验验证,得出结果吻合一致,进而证明了小电流过趋热效应在PN结势垒中的真实存在。晶体管在耗散功率时,结温分布一般不均匀。在晶体管子管并联模型的基础上,经过实验和理论计算分别在模拟结温分布和实际温度分布的基础上验证发现:结温分布不均匀时,高温区的电流密度大于低温区的电流密度:测试电流越小,高温区与低温区电流密度的比值越大,电流越集中在高温区,且集中区域的面积随着测试电流的减小而缩小,我们将这种现象称为小电流过趋热效应。利用这一特性可以研究晶体管结温分布的不均匀性,计算结温分布的不均匀度,对半导体器件可靠性分析具有非常重要的意义。第四章“晶体管热谱分析方法”是本文研究内容的重点,介绍了基于子管并联模型和等温环模型基础上的晶体管热谱分析方法。小电流过趋热效应、MQH算法、Ebers-Moll模型是热谱分析方法算法的基础理论。MQH算法是由山东大学苗庆海教授在多年热谱分析方法的研究中总结提出的,它是热谱分析方法基本算法的关键,也从理论和试验上得到了证明;Ebers-Moll模型将PN结势垒器件中的双极晶体管简化的关键,将复杂的双PN结问题简化为单PN结的二极管模型进行分析。然后,介绍了晶体管热谱分析方法的最基本试验数据一本底数据,即晶体管I-V-T数据。在温度可调的高精度恒温装置里,高速采集多阶梯恒流所对应的温敏参数,进而获得较宽温度区间内的I-V-T特性曲线簇,它是晶体管最基本的物理属性,是最重要的热学特性。本底数据是包含了热导、热容、串联电阻、注入系数等等分布参量的综合结果,比D.L.Blackburn的方法可信度高。
本章中详细介绍了热谱分析方法的基本算法和零时刻温敏参数的较合理的回归处理。在此基础上通过基于标准电学方法的BJ2984瞬态热阻测试仪、基于热谱分析方法的“军用半导体器件可靠性分析仪”、红外热像仪的联机试验,三种方法探测晶体管的结温情况,其结果表明:标准电学方法则随着功率的增大,其与红外热像法的结果差距越来越大,即其结果越来越偏离真实情况,而热谱分析方法探测峰值结温和有效面积方而一直与红外热像法基本吻合。这说明热谱分析方法可以准确可靠地探测峰值结温、结温分布不均匀性和不均匀度,其相对传统标准电学方法和红外热像法的优势注定将最终取代他们而成为晶体管结温的常规主流测量方法。
在第五章“晶体管实时测量和实时热谱分析方法的研究”中.首次成功解决了半导体器件实时测量方法的实施,并且,首次将热谱分析方法用于实时测量中进行实时地探测结温分布的不均匀性和不均匀度。实时测量半导体器件结温方法是,在加热的同时,不改变加热状况的情况下,把加热电流直接作为测量电流从而测量出品体管的结温。解决了国际标准IEC 60747-7热阻测量部分`提到的关于大电流下温敏参数测不准的问题,把加热电流作为测量电流从而实现了真正的实时测量。在实时测量期间快速小幅度更改加热电流成阶梯电流,采集对应的温敏参数即可以用于热谱分析,从而实时地获得结温分伟的不均匀性和不均匀度信息。该方法可应用于半导体芯片焊接质量和安全工作区的无损伤检测,稳态寿命和功率老化试验的结温控制,更新热阻测量方法和仪器,在线测量,机载测量,评价装备和系统的可靠性和寿命等场合,具有十分重大的意义和实用价值。在第六章“温敏元器件的热谱分析方法”中,在晶体管热谱分析方法成功实施应用的基础上,首次通过横向研究探索将其拓宽延伸到其他具有温敏特性的元器件领域,比如温度传感器领域,肖特基势垒器件,场效应晶体管,LED发光器件等等。本章中主要针对温度传感器领域里的铂金电阻温度计,微电子器件里的肖特基势垒器件等做了热谱分析方法的可行性研究。首次论证了铂金电阻温度计每次探测返回的单一温度值的物理意义,它并非是探测区域的平均温度,其物理意义尚不明确。然后在建立了子电阻串联模型,并在此基础上通过理论推导分析热谱分析方法的可行性。
对于微电子器件里的肖特基势垒器件,通过理论证明了该势垒中小电流过趋热效应的存在,因此类似与PN结势垒器件,只要结合相应的物理模型,针对该类器件的热谱分析方法就可以成功实施应用。本章首次提出了等效晶体管模型,由于该模型具有较好的通用性和适用性,因此使得热谱分析方法在微电子器件中的拓宽延伸应用得到了保障。
热谱分析方法将大大提升温度传感器探测温度的分辨率和准确度,为半导体器件的可靠性分析使用更便利的方法获取更丰富、更科学、更可靠、更准确的器件有源区温度分布信息。
第七章对整个研究生阶段的科研工作和成绩进行了总结,也展望了热谱分析方法的前景和未来发展趋势,并对以后的研发工作提出了几点内容和要求。
9.会议论文 马丽娟.焦仓文.陆士立.谢海宁.汤三星 PN结温度传感器测温仪的研制及在环境工程勘查中的应用 1998
10.会议论文 高占凤.陈祥军 PN结温度传感器及应用研究 1997
PN结温度传感器是现有接触式温度传感器中响应速度快、灵敏度较高的一种,它具有优良的性能及特点。该文介绍了PN结温度传感器的工作原理,特点及其接口电路,并结合科研实践给出它的应用实例。
引证文献(8条)
1.庞增俊.刘桥.龙飞.李绪诚 推挽对称输出的一种热疏导电路[期刊论文]-微计算机信息 2008(11)2.唐丽华 基于PASCO平台的温度信息采集[期刊论文]-实验室研究与探索 2007(5)3.黄宏纬 应用计算机测定PN结正向压降的温度特性[期刊论文]-物理实验 2006(10)4.曾刚.杨宏春 利用PN结Vf-T特性测温[期刊论文]-实验技术与管理 2005(7)
5.王治昆.于旭东 PN结传感原理线性化分析[期刊论文]-河北建筑科技学院学报(自然科学版) 2005(3)6.李海宝 PN结正向电压与温度关系实验中的实际问题[期刊论文]-大学物理实验 2005(4)
7.陈水桥.陈洪山 浙江大学物理实验基地“3+1”课程体系改革与探索[期刊论文]-物理实验 2004(1)8.胡险峰.朱世国 PN结正向伏安特性曲线随温度的变化[期刊论文]-物理实验 2003(10)
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