1、 毕 业 论 文 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 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 究学 生 姓
2、 名 陈 立 娟 所 属 学 院 物 理 与 机 电工 程 学 院专 业 物 理 学 年 级 09 级指 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 Ur和 Ux作 为 参 考 电 压 的 ， 设 定 的
3、 温 度 也 由 Ur给 定 ，U x随温敏二极管的温度变化而变化。u A741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
4、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：2012.11.52012.12.15 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；2012.12.162013.01.21 搜集整理资料；2013.01.222013.03.10 电路设计及利用 multism 软件仿真；2013.03.112013.04
5、.01 搭建、焊接实物电路；2013.04.022013.05.25 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,20032周淑阁,付文红,硕力更模拟电子基础M高等教育出版社.20043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):111-1125徐兵PN 结正向压降温度特性实验的几点改进措施J计量与测试技术,2011,(2):48-49 6胡险峰,朱世国PN 结正向伏安特性曲线随温度的变化J
6、物理实验,2003,23(10):6-97林钢常用电子元器件M机械工业出版社,20048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,20079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):25-2810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 日教研室意见负责人签名：年 月 日学院意见负责人签名：年 月 日目 录二极管的温度特性及应用实例研究 .10 引言 .21 半导体材料的基本情况 .31.1 本征半导体 .31.2 掺杂半导体
7、.41.2.1 N 型半导体 .41.3 PN 结 .62 二极管的特性 .62.1 正向特性 .62.2 反向特性 .72.3 二极管的击穿问题 .92.3.1 电击穿 .92.3.2 热击穿 .103 温度的影响 .103.1 温度对二极管反向特性的影响 .103.2 温度对二极管正向特性的影响 .114 应用 .114.1 温敏二极管及其应用 .114.1.1 工作情况简介 .114.2 几个关键性指标 .124.3 电路的实现 .144.3.1 电路的搭建 .144.3.2 电路的仿真 .154.3.3 电路的调试 .165 结论 .17参考文献： .18致 谢 .18文献综述 .19
8、河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表 .24河西学院本科生毕业论文（设计）任务书 .25河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表 .27河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表 .28河西学院本科生毕业论文（设计）答辩记录表 .291二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
9、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, as the most fundamental electronic devices, already become the basis of the developing electronic technology, esp
10、ecially integrated circuit, computer, communication,etc. and play an irreplaceable role in industrial production and life now. There are many factors like temperature , which is affecting the normal working of devices, and its impact on the devices can not be ignored. With the changing of temperatur
11、e, a series of changes of diodes characteristics will appear.Therefore, its ery vital significant to study the properties of diodes temperature for utilization. Based on development of semiconductor materials and devices, focusing on the temperature characteristics of the diodes, this article tries
12、to consider and design a new type of simple temperature regulator (sensor ) after the basic structure and principle of devices understood. Owned high sensitivity, low power consumption, low operating current and good linearity characteristics, it uses thermal-sensitive diode as the core component.Th
13、e overall circuit and its key indicators were simulated and optimized by using multism simulation software. And with the assembling, welding and debugging, a physical circuit is finished in the end. Key words:PN junction; diode; temperature characteristics;simple thermostat 0 引言二极管是最常用的电子元件之一，它最大的特性
14、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、2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。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
15、 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 I0。当外加的反向电压高到一定程度时，PN 结空间电荷层
16、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
17、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3泛用于-50+150范围内的稳定测量。硅温敏二极管是一种体积
18、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:对温度有较高的灵敏度;正向电压 Vf与温度 T 之间具有良好的线性关系。在本文中讨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
19、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，产生的电子空穴对就越多，这种产生电子空穴对的
20、过程，称为本征激发。当温度高于绝对零度时，本征半导体中都存在着由本征激发而产生的电子和空穴。自由电子可以在晶格中运动，它是带负电的粒子，因此它的运动可以产生电流。空穴也可以运动，如果其他共价键中的电子移动到某一空穴所在的共价键中，填补了空位，这样就相当于空穴移动了位置。空穴的运动方向和共价键中电子运动的方向相反，因此可以把空穴看作是一种带正电的粒子。空穴的运动也可以产生电流，电流的方向和空穴的运动方向相同。因此把自由电子和空穴都称为载流子。本征激发的实质是：当温度升高时，价电子获得足够的能量，从能量较低的价带跃迁到能量较高的导带能级上去。当价电子得到大于带隙能量Eg的能量之后，可以克服共价键的
21、束缚，从价带跳到导带而成为自由电子。自由电子的运动实际上是电子在导带中的运动，而空穴的运动是价带中的电子填补空位而形成了空穴的运动，也就是4说空穴是在价带中运动的。半导体材料的带隙能量是在1eV(1eV是一个电子由于1V的电场加速而产生的能量，1eV=1.6 10-19J)左右，绝缘材料的带隙能量Eg在36eV，而绝大多数导体的价带和导带重合，即没有禁带存在，因此这三种物质的导电能力不同。在本征半导体中，与本征激发同时存在的一种现象称为复合。复合是指导带上的电子放出能量又跳回价带中而填补价带中的空穴的过程。当电子和空穴发生复合时，一对电子空穴对就消失了。显然激发过程使电子空穴对增加，而复合又是
22、电子空穴对减少。当温度一定时，激发和复合达到动态平衡。即温度一定时，本征半导体内的电子浓度和空穴浓度相等，而且是一个定值。通常用单位体积内载流子数量来表示本征半导体材料内的载流子的多少，称为本征载流子浓度。本征载流子浓度可以用下面的公式表示：Ni=Pi (1.1)kTEeAg230式中N i表示本征半导体中电子的浓度；P i表示本征半导体中空穴的浓度；A是和半导体材料有关的常数，硅材料为3.88 1016cm3K -3/2 锗材料为1.76 1016cm3K -3/2 ；Eg 0为0K时半导体材料的带隙能量，硅材料的Eg 0为1.207eV，锗材料的；Eg 0为0.785eV;T为热力学温度；
23、K为波尔兹曼常数。由上式可知，本征载流子浓度和温度有关，温度升高，本征载流子浓度就增加，当温度一定时，对固定的一块半导体材料，本征载流子浓度是一定的。1.2 掺杂半导体 1.2.1 N型半导体N型半导体的形成是在本征半导体中掺入杂质，如掺入少量的5价元素磷，砷，或锑等。若在锗晶体中掺入少量的砷原子，如图（1-1）所示，掺入的砷原子取代了某些锗原子的位置。砷原子有5个价电子，其中有4个与相邻的锗原子结合形成共价键，余下的一个不在共价键内，砷原子对它的束缚力较弱，因此只需得到极小的外界能量，这个电子就可以挣脱砷原子的束缚而成为自由电子。所以在室温下，几乎所有的杂质都已电离释放出自由电子。失去一个价电子的杂质原子成为一个正离子，这个正离子固定在晶格结构中，不能移动，它不参与导电。由于砷原子很容易贡献出一个自由电子，所以像砷这样的杂质成为“施主杂质” ，这种杂质半导体以自由电子导电为主，自由电子是多数载流子（即多子） ，而空穴是少数载流子（及少子） 。1.2.2 P型半导体P型半导体的形成是在本征半导体中掺入杂质，如3价元素硼，铝，或铟等。若在
