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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：
指导教师：
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
学生姓名
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，设定的温度也由Ur给定，Ux随温敏二极管的温度变化而变化。
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．
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（2）:
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[6]胡险峰,朱世国．PN结正向伏安特性曲线随温度的变化[J]．物理实验,2003,23（10）:
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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．
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[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
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
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。
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I0。
当外加的反向电压高到一定程度时，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:
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3―6eV，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）
式中Ni表示本征半导体中电子的浓度；Pi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
1016cm∕3K-3/2锗材料为1.76
1016cm∕3K-3/2；Eg0为0K时半导体材料的带隙能量，硅材料的Eg0为1.207eV，锗材料的；Eg0为0.785eV;T为热力学温度；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
1.2.1N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）。
1.2.2P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。
若在锗晶体中掺入少量的硼原子，如图（1-2）所示，掺入的硼原子取代了某些锗原子的位置。
硼原子有3个价电子，当它与相邻的锗原子组成共价键时，缺少一个电子，产生一个空位，相邻共价键内的电子，只需得到极小的外界能量，就可以挣脱共价键的束缚而填补到这个空位上去，从而产生一个可导电的空穴。
由于3价杂质的原子很容易接受价电子，所以称这种物质为“受主杂质”。
这种杂质半导体以空穴导电为主，空穴是多数载流子（即多子），而自由电子是少数载流子（即少子）。
图（1-1）N型半导体施主杂质的电离示意图
图（1-2）P型半导体受主杂质的电离示意图
1.3PN结
PN结的形成是由同一块半导体一端掺入施主杂质，成为N型半导体，另一端掺入受主杂质，成为P型半导体，这两种杂质半导体紧密的接触在一起，在接触处保持晶格的连续性，在接触面便形成了一个PN结。
PN结的势垒，在室温下，每一个受主杂质产生一个空穴，同时形成一个负离子；而每一个施主杂质将产生一个自由电子，同时形成一个正离子。
在PN结中P区空穴密度高于N区，空穴将越过交界面由P区像N区移动（即扩散），空穴由P区扩散到N区后，便会被复合。
同理，电子将越过分界面自N区像P区扩散，而在N区留下不能移动的正离子，电子进入P区也很快被复合。
这样，在分界面两边，形成正负离子区，在这个区域的载流子因扩散和复合而几乎消耗殆尽（即消耗区）。
分界面两边的正负电荷必然存在电场，方向由N区指向P区。
这一电场将阻止空穴和电子扩散，正负电荷存在的区域即为势垒区。
势垒区两侧半导体的少子进入势垒区时，势垒区的电场使这些少子做定向移动，使P区的电子进入N区，使N区的空穴进入P区。
这种在电场作用下少子的定向运动称为漂移。
势垒区的载流子，存在两种方向相反的运动，即扩散和漂移。
在无外加电压的情况下，两种运动所形成的电流大小相等，方向相反，PN结中建立起动态平衡。
PN结的内建电压随温度升高而减小，通常情况下，温度升高10C，内建电压要减少2-2.5mV。
这里需要指出的是温度不能太高，如果温度过高，本征载流子浓度大大增加，当本征载流子浓度超过掺杂浓度时，不管是原来的P型区还是N型区，都表现出本征半导体的特性，此时PN结也就不存在了。
一般硅PN结，正常工作时，温度要低于1500C，而锗PN结要低于800C。
2二极管的特性
2.1正向特性
PN结加正向偏置时，由于外加电压与PN结的内建电场方向相反，从而使内建电场消弱，这就打破了原有的平衡状态，使P区和N区的多子向空间电荷区移动。
一旦进入空间电荷区势必中和一部分正离子和负离子使空间电荷量减少，空间电荷区（即耗尽层）宽度变窄（由W变为W’），势垒电压也有原来的
变为
，如图（2-1）所示。
由于势垒的下降，使扩散得以进行，于是有较多的电子不断地从N区扩散到P区，较多的空穴不断的从P区扩散到N区。
扩散的载流子越过PN结结面后，成为非平衡少子，它们在中性区将边扩散边复合，使非平衡少子的浓度不断降低，直到热平衡，形成了中性区非平衡少子的稳定分布。
PN结在正向电压作用下，电子从电源负极源源不断的进入N区，到达势垒区的边界，由于扩散，越过PN界面进入P区并不断向内扩散，同时与P区的空穴复合，因复合减少的空穴靠外界电源的正极不断提供正电荷而得到补充，空穴的扩散运动同上述过程类似。
电子、空穴不断连续的运动便形成了电流，其方向有P区指向N区。
因为它是在PN结下形成的，所以称为正向电流，由半导体器件原理可以推出，PN结在正向电压U作用下产生的正向电流I为
（2.1）
其中
（2.2）
式中，S为PN结面积;DN为电子扩散系数；DP为空穴扩散系数；LN为电子的平均扩散长度；LP为空穴的平均扩散长度；NP0为P区热平衡时少子浓度；PN0为N区热平衡时少子浓度。
正向特性是指二极管作用正向电压的伏安特性曲线，当正向电压较小时，正向电流几乎为零，称为死区。
当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个数值的电压称为门槛电压即死区电压，记为Vth。
小功率硅管的Vth约为0.5V,小功率锗管的Vth约为0.1V，当正向电压高于门槛电压后，电流随电压基本上按指数规律增长，成为二极管的导通区，当正向电流达到一个较大数值后，二极管的正向电压变化很小，处于导通状态，对应的电压成为导通电压，记为Von。
小功率硅管的Von约为0.6-0.8V，
图（2-1）PN结正向偏置时耗尽层的变化
为叙述方便，通常取固定值0.7V；小功率锗管的Von约为0.2-0.3V，为叙述方便，通常取固定值0.2V。
2.2反向特性
当PN结的P区引出端接电源的负极，N区引出端接电源的正极，即PN结加反向电压（反向偏置）时，外加电压产生的电场与PN结的内电场方向相同，加强了内电场打破了原有的平衡状态，使靠近PN结的P区空穴向左移，靠近PN结的N区电子向右移，从而使空间电荷区加宽，势垒电压也由原来的
变为
，如图（2-2）所示。
图（2-2）PN结反向偏置时耗尽层的变化
由于势垒的提高，使得多子的扩散运动很难进行，扩散电流为零，但由于内建电场的增加，使P区和N区中的少子漂移运动成为主要的。
在强电场作用下，P区的少子电子一旦到达空间电荷区的边界，就全部被扫向N区；同样N区的少子空穴一旦到达空间电荷区的边界也全部被扫向P区。
所以，PN结空间电荷区的边缘少子浓度趋于零。
在反向电压的作用下，越过界面的少子，通过回路形成反向电流，因为少子的浓度很低，所以反向电流很小，可以推得反向电流Ir与反向电压的关系为：
（2.3）
随着反向电压的增加，反向电流开始少有增加，当反向电压大于0.1V时，
<<1，式（2.3）可以写成：
-
（2.4）
方向电流Ir近似为常数，不再随反向电压变化而变化，称IS为方向饱和电流。
反向饱和电流IS与半导体的材料、掺杂浓度及工作温度有关。
一般硅PN结的IS为10-15-10-10A;锗PN结的IS为10-10-10-7A；砷化镓PN结的IS为10-17-10-15A。
由以上分析可知，PN结加正向电压和方向电压时的伏安特性均可用（2.3）式表示。
正向电压时U为正值，反向电压时U为负值。
正向电压从零开始增大时，正向电流增加较缓慢；当正向电压增大到一定值时，正向电流按指数规律增大，这时PN结具有良好的导电性，电压Ur称为导通电压。
反向电压从零开始增大时，反向电流随反向电压增加而增加，但当反向电压大于0.1V后，反向电流约等于Is，不再随电压变化。
在反向电压作用下，向电流很小，PN结的导电性能极差，可近似认为PN结不导电，这表明PN结具有单向导电性。
在此需要指出的是：
上述PN结的伏安特性是在理想情况下推导出来的，因而具有一定的局限性。
在正向电流较小，在反向电压不大时，实际PN结的伏安特性与理想PN结的伏安特性相近，超出此范围，就会出现较大的误差。
2.3二极管的击穿问题
当PN结的外加反向电压超过某一数值UB时，反向电流会突然猛增，而PN结两端的电压几乎不变，把这种现象称为PN结的反向击穿，UB称为反向击穿电压。
PN结的反向击穿现象可以分为以下两种情况。
2.3.1电击穿
按PN结反向击穿的机理，电击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿。
a雪崩击穿
随着反向电压的提高，空间电荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量液随之增加。
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