半导体PN结正向导通压降的温度特性研究

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在1：业设计、-r程建设、日常生活及科研中，温度控制的运用是很普遍的。随着温度控制技术的不断发展及其应用的推 ，人们对温度控制提出了更高的要求。半导体PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、响应快、体积小乖成本低等特点，其彳丁其他温度传感器不能比拟的优越 ，凶此PN结温度传感器已 成为-种虑用广泛的测温元件。了解PN结温度传感器特 其f重要的意义。小文通过实验分析研究了PN结的正向压降随温度的变化特-。

1实验原理根据 体物理的理沦，对于 。个理想PN结，正向电流I 止向胍降u存在如 F父系：pr，， ， [exp( )-1 (1)K其rj.c足电子的电最：k足玻尔兹曼常数；T是热力学温度：I 是PNt!i反饱和电流，它 PN绱材料的禁带宽度以及温度有关。

pr r， c丁 exp(·二 ) (2)Krf，C足 PN结的结面积及掺杂浓度有关的常数，r在 定温度范词Jl也足常数，U 为绝对零度叫PN结禁带宽度，对丁给定的PN结材料，u 、为定值。

将式(2)代入式(1).两边取对数，整理后得到u ： .(生ln C--)T..krT InT (3)- C e 域后的非线性项给u 带米的误筹很小，因此-k式Iq 以近似衷达为l，U -"In )r， (4) e 从J℃(4)可以看出，当温度变化范围不大，在恒定电流供I 的情况 ，PN(i止 通压降u 近似等 其线性项，即随温度的 升，止 JIi降线降，这就足PN结温度化感器的 小原理。

2实验设计及数据处理选取小功)44148二檄管干l)J13 极管的发射结作为测试器什，使用胖i]VC92O8数字 用表测最温度IPN结正I，J 通压降。为了得到pN结存不川湖度环境 l.的正向导通压降，将pN结与万用表测温传感头紧密贴合后，用溥的 水材料包裹置丁不川温度的水rl ，利用另外 -块同 号力用表删：PN绵的止 通压降，井记录测量数据。

2.1 极篱PN结止Ihi导通压降温度特性实验图1二极管PN结正向压降温度特性实验图·II实验测试器件为小功率4148二极管，4.7k电阻为限流电阻，通过极管PN结的l乜流 '0.9mA。

对测试数据利用Madab拟合后得到u -.0017t(.7731。其 u为PN结导通 降(单位v)，t为PN结的温度(单位℃)。

2.2二极管发射结止 导通 降温度特性实验h案 ：采用图3所水测试I乜路， 极管 号为9013，将二板管的 电极和 檄 接，测最发匀If绌止I柚导通 降，通过发射结的电流”ImA。

列测试数据利用Matlab拟合后得到u-O.0022tO.6738。其q'U为发乌IJ结 通 I降(单位v)，t为发射结的温度(单位℃)。

352图2二极管正向导通压降温度特性曲线图3三极管发射结正向压降温度特性实验I图4-极管发射结正向压降温度特性曲线1力案：采用图5所 测试电路，二极管 号为 13，将二檄管的集电檄路，测最发射结止 甘通JK降，通过发身寸蜀 的lU流 )，lmA。

图5三极管发射结正向压降温度特性实验2对测试数据利用Madab拟合后得到u-(J.0017t十1).7617。其 IU为发射 导通压降(单位v)，c为发射结的温度(单位℃)。

3结果分析从 面的 个实验可以看出，PN结正 JIi降随泓J娈，叟化曲线近似线，即随濉度的上升，正向压降线性下降，r·j作为濉度传感器使用。对比- 个实验不难看H，二极管的方案 ，正向压降对T濉更为敏感， 敏度更f 。

而方案二和极管的特性曲线斜率相同，即仃丰 的灵敏艘。I 此，从电路简单的角度考虑，可以采用檄管作为化感器，从精度的角度考虑IJ.以采用二极管的方案 。 (转上页)科 学论 坛y .， ]r扩腱模州用少 的采样信 yQ表，÷原始俯号Y令bq为L×1纬：的列阳h：，1t.bq的第，(，I，2 L)个元索为[b ]，e 2 -QL ，令B[b ，b2，-.，b ]为三×Q的矩阵联系 I ml 式，l彳iy BYo此为 腱模 ， t陆：B即为该模 的綦j 麟：，实现川少最的采样f膏i始俯l 原始信i， 1.j-以认为足少避采样信 的扩胜农 ÷。模J lI采样点数P的取fc将I 接影响模 的准确度。

3基于基扩展模型的能量检测扩腱校， ·tJ以川较少的9个采样点I 的俯息表，J÷L个( >P)采样点 的俯息〖虑到这干I1拟介模 使川时的lj限，这利，表示并不足 仟时候部完个精确的。fI l能I L检测芙沌的州· 足j 体的缚个采样点 的1I。

m址所仃采样点fr'Jt艟总和。 J ， 扩醍模唧J实施的过程iI1能 的变化规”址川循的，L，'IJ对J 能i 水说螭扩艘模J 实施的过 是ItJ逆的，捌此，术文将 扩 模 J避川 能艟枪测，捉1种耩 j 扩展模 的能毓检测算法。

转换. . 器 廿 如 判决3坫 j 螭扩腱模 的能齄榆测流程，J÷意没认知jij J 所观测的频段 t 拨收到的模拟信号为s，进j 模数转换丽得到K发为L的 敞俯Ij Y 。 殳采样点数为Q，对离散信号y 进行QL采样，搿到K度为Q的采样信；3-yu。盘5 31 所示，采样信号y为yQ ]itl此，认知用， 接 行”到的佑 是采样点数较少的信 Y rJ。为j-恢复 始的Ii散信 Y ， 蓿耍运川荩扩展模 对Yo fiIj，即乘以模型的堪 I筠B ，t4JB；W，f；， i'17ii，t 仇 BY l1 ·It B为x 9 ，lI.其第，J 、第q列的冗豢为叱 ：P划ffi汁f 内仿 ，.、 办求羽1，得能最值 (B.YQ) (B-YQ)三假设I i标频段 f 的信 I f1.f 均分布，则≈ (y y )：此t 扩艘模 计算得的该频段 f：的能龄估计fl为Ef.惫 1 Ef，之 ， J!常的能艟枪测锋法类似，将得到的能最俏与啦先矗 封的科学-b财富值比较 (闽值由系统要求的虚警概率最人值决定)，得到当Ijf频段 j 授权Jj， 信号是否存在的判决。

山I 述过程ir以看Iti，该基于基扩展模型的能蛀检测算法仅需要刈待感知1频段 I：的信号采样少量的点，就町以得到褴个频段 I：的f ；能 。

4结论介绍 r本地能量检测和摹扩展模 的摹本原理，分析 r旗 展模 用少精采样点表示众多时变数据的特点，及其在本地检测中麻用的必要性与町行性。提n，-种基J：基扩展摸型的能量检测算法， 认知]户本地检测时引入楚扩腱模型，以简 的矩阵相乘方式补偿原有的部分采样过程，降低对认灸Ijj， 处理能力的要求：仿真结果表明，该算法能有效减少 个f信道信 的采样点数，模拟日标频段接收信号的能量，从 提高系统的频谱感知效牢。