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实验12 PN 结正向压降与温度关系的研究随着半导体工艺水平的不断提高和发展,半导体PN 结正向压降随温度升高而降低的特性使PN 结作为测温元件成为可能,过去由于PN 结的参数不稳,它的应用受到了极大限制,进入二十世纪七十年代以来,微电子技术的发展日趋成熟和完善,PN 结作为测温元件受到了广泛的关注。
温度传感器有正温度系数传感器和负温度系数传感器之分，正温度系数传感器的阻值随温度的上升而增加，负温度系数传感器的阻值随温度的上升而减少，热电偶、热敏电阻，测温电阻属于正温度系数传感器，而半导体PN 结属于负温度系数的传感器。
这两类传感器各有其优缺点，热电偶测温范围宽，但灵敏度低，输出线性差，需要设置参考点；而热敏电阻体积小，灵敏度高，热响应速度快，缺点是线性度差；测温电阻如铂电阻虽然精度高，线性度好，但灵敏度低，价格高。
相比之下，PN 结温度传感器有灵敏度高，线性好，热响应快和体积小的优点，尤其在数字测温，自动控制和微机信号处理方面有其独特之处，因而获得了广泛的应用。
一.实验目的1． 了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系，测定PN 结F F V I -特性曲线。
2． 测绘PN 结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN 结材料的禁带宽度。
3． 学会用PN 结测量温度的一般方法。
二.实验仪器．SQ-J 型PN 结特性测试仪，三极管（3DG6），测温元件，样品支架等。
三．实验原理1．PN 结F F V I -特性的测量由半导体物理学中有关PN 结的研究可以得出PN 结的正向电流F I 与正向电压F V 满足以下关系；F I =s I （expkTeV F-1） ⑴ 式中e 为电子电荷量、k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，s I 为反向饱和电流，它是一个与PN 结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。
由于在常温（300K ）下，kT/q=0.026,而PN 结的正向压降一般为零点几伏,所以exp kTeV F》1,上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有kTeV Is I FF exp= ⑵ 这就是PN 结正向电流与正向电压按指数规律变化的关系,若测得半导体PN 结的F F V I -关系值,则可利用上式以求出e/kT.在测得温度T 后,就可得到e/k 常数,将电子电量代入即可求得玻尔兹曼常数k 。
PN 结正向压降与温度关系的研究和应用[前言]早在六十年代初，人们就试图用PN 结正向压降随温度升高而降低的特性作为测温元件，由于当时PN 结的参数不稳定，始终未能进入实用阶段。
随着半导体工艺水平的提高以及人们不断的探索，到七十年代时，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跻身于各个应用领域了。
众所周知，常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处，如热电偶使用温度范围宽，但灵敏度低、线性差且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是非线性，这对于仪表的校准和控制系统的调节均感不便；测温电阻器如铂电阻虽有精度高、线性好的长处，但灵敏度低且价格昂贵；而PN 结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积轻巧等特点，尤其是温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时讯号处理等方面，乃是其它温度传感器所不能比拟的，其应用势必日益广泛。
目前结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放大等电路组合成一块集成电路。
美国Motorola 电子器件公司在1979年就开始生产测温晶体管及其组件，如今灵敏度高达100mV ／℃、分辨率不低于0.1℃的硅集成电路温度传感器也已问世。
但是以硅为材料的这类温度传感器也不是尽善尽美的，在非线性不超过标准值0.5％的条件下，其工作温度一般为-50℃～150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，如果采用不同材料如锑化铟或砷化镓的PN 结可以展宽低温区或高温区的测量范围。
八十年代中期我国就研制成功一SiC 为材料的PN 结温度传感器，其高温区可延伸到500℃，并荣获国际博览会金奖。
自然界有丰富的材料资源，而人类具有无穷的智慧，理想的温度传感器正期待着人们去探索、开发。
[实验目的]1. 了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。
2. 在恒流供电条件下，测绘PN 结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
电磁阀电压压降计算全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：电磁阀是一种常用的控制元件，广泛应用于各个领域，如工业自动化、液压控制、燃气控制等。
在实际使用中，电磁阀的电压压降是一个重要参数，它直接影响电磁阀的性能和稳定性。
准确计算电磁阀电压压降是非常重要的。
电磁阀的工作原理是通过电磁铁产生磁场来控制阀芯的运动，从而实现液体或气体的流动控制。
当电磁阀通电时，电流通过线圈产生磁场，使阀芯被吸引或推开，从而改变流体通道的状态。
在这个过程中，电磁阀内部会产生一定的电压压降，影响电磁阀的工作效果。
电磁阀的电压压降主要是由以下几个因素决定的：线圈的电阻、通电时的电流、工作环境的温度等。
在计算电磁阀的电压压降时，需要考虑这些因素，并根据具体的情况来进行计算。
我们需要测量电磁阀线圈的电阻。
通常情况下，电磁阀线圈的电阻在几欧姆到几十欧姆之间，具体数值取决于电磁阀的型号和规格。
通过测量线圈的电阻，我们可以得到电磁阀的电阻值。
我们需要计算电磁阀通电时的电流。
电磁阀工作时，线圈会受到额定电压的供应，从而产生一定的电流。
通过欧姆定律，我们可以根据线圈的电阻和供电电压来计算电磁阀通电时的电流大小。
我们需要考虑工作环境的影响。
在实际使用中，电磁阀通常会受到环境温度的影响，温度越高，线圈的电阻会越大，从而影响电磁阀的电压压降。
在计算电磁阀的电压压降时，需要考虑环境温度对线圈电阻的影响。
通过以上步骤，我们可以准确计算出电磁阀的电压压降。
在实际应用中，我们可以根据计算结果来调整电源电压或线圈的设计参数，以提高电磁阀的性能和稳定性。
定期检查电磁阀的电压压降也是非常重要的，可以及时发现问题并进行维护。
【电磁阀电压压降计算】是电磁阀设计和维护中的重要环节，只有做好电压压降的计算工作，才能确保电磁阀的正常工作和可靠性。
第二篇示例：电磁阀是一种常用的控制元件，可用于控制液体或气体流动。
在实际应用中，我们经常需要计算电磁阀内部的电压压降，这对于正确操作电磁阀非常重要。
换热器压力降【原创实用版】目录1.换热器压力降的定义与原理2.换热器压力降的计算方法3.换热器压力降的影响因素4.降低换热器压力降的措施正文换热器压力降是指在换热器中，由于流体通过管道时受到阻力，导致流体压力降低的现象。
换热器压力降直接影响着换热器的工作效率和流体的流动状态，因此对其进行分析和计算具有重要意义。
一、换热器压力降的定义与原理换热器压力降的定义可以用公式表示为：压力降 = （入口压力 - 出口压力）/ 入口压力。
在换热器中，流体从高压侧进入，经过管道和换热器内部的阻力后，压力降低，从低压侧流出。
这个过程中，压力降的产生主要是由于流体在管道中受到摩擦阻力和局部阻力的影响。
根据达西 - 威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式，可以计算出流体在管道中的压力降。
二、换热器压力降的计算方法达西 - 威斯巴赫公式为：压力降 = f * (L/D) * (ρ * v) / 2，其中 f 为摩擦系数，L 为管道长度，D 为管道直径，ρ为流体密度，v 为流体速度。
根据换热器的实际工况，可以先确定流体的流速，再根据流速和管道直径计算出流体的雷诺数（Re），从而判断流体流动状态（层流或湍流）。
在确定流动状态后，可以分别采用相应的公式计算压力降。
三、换热器压力降的影响因素换热器压力降的影响因素主要包括以下几个方面：1.流体性质：流体的密度、粘度、压缩性等都会对压力降产生影响。
2.管道特性：管道的长度、直径、粗糙度、弯曲程度等都会对压力降产生影响。
3.流速：流速越大，压力降越大。
4.工作温度：工作温度对流体的粘度和密度产生影响，从而影响压力降。
四、降低换热器压力降的措施降低换热器压力降的措施主要包括以下几个方面：1.优化管道设计：减小管道长度、增加管道直径、改善管道粗糙度等，以降低流体在管道中的摩擦阻力。
2.调整流体流动状态：通过调整流速，使流体在管道中保持湍流状态，以降低压力降。
3.选择合适的流体：选择粘度低、密度小的流体，以降低压力降。
PN结正向压降与温度关系PN 结正向压降温度特性的研究⼀、前⾔早在六⼗年代初，⼈们就试图⽤PN 结正向压降随温度升⾼⽽降低的特性作为测温元件，由于当时PN 结的参数不稳定，始终未能进⼊实⽤阶段。
随着半导体⼯艺⽔平的提⾼以及⼈们不断地探索，到七⼗年代时，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跻⾝各个应⽤领域了。
众所周知，常⽤的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各⾃的优点，但也有它的不⾜之处，如热电偶适⽤范围宽，但灵敏度低、线性差且需要参考温度；热敏电阻灵敏度⾼、热响应快、体积⼩、缺点是⾮线性，这对于仪表的校准和控制系统的调节均感不便；测温电阻器如铂电阻虽有精度⾼、线性好的长处，但灵敏度低且价格昂贵；⽽PN 结温度传感器则具有灵敏度⾼、线性好、热响应快和体积轻巧等特点，尤其是在温度数字化、温度控制以及⽤微机进⾏温度实时信号处理等⽅⾯，乃是其他温度传感器所不能相⽐的，其应⽤势必⽇益⼴泛。
⽬前结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放⼤等电路组合成⼀块集成电路。
美国Motorola 电⼦器件公司在1979年就开始⽣产测温晶体管及其组件，如今灵敏度⾼达100mv/C 、分辨率不低于0.1℃的硅集成电路温度感器也已问世。
但是以硅为材料的这类温度传感器也不是尽善尽美的，在⾮线性不超过标准值0.5%的条件下，其⼯作温度⼀般为-50℃—150℃，与其它温度传感器相⽐，测温范围的局限性较⼤，如果采⽤不同材料如锑化铟或砷化镓PN 结可以展宽低温区或⾼温区的测量范围。
⼋⼗年代中期我国就研制成功以Sic 为材料的PN 结温度传感器，其⾼温区可延伸到500℃，并荣获国际博览会⾦奖。
⾃然界有丰富的材料资源，⽽⼈类具有⽆穷的智慧，理想的温度传感器正期待着⼈们去探索、开发。
⼆、实验⽬的1．了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。
题目：浅谈温度对大功率晶闸管通态特性的影响姓名：职业：身份证号：鉴定等级：单位：二○一一年四月浅谈温度对大功率晶闸管通态特性的影响内容摘要：电力半导体元件随着电力电子技术发展的需要，不断改进、革新，从SCR、GTO、功率MOSFET、IGBT、MCT到HVIC等；各种元件适合着一定的应用领域的需要，性能在不断的提高和改善；晶闸管也不断的向更大功率发展，在整流领域发挥自己的作用。
在向市场提供大功率晶闸管元件以及相关技术服务过程中，元件参数的一致性对许多实际应用至关重要，特别是通态特性的一致性，通态特性主要表现为通态电压。
影响通态电压的主要因素包括：注入大小、少子寿命、基区厚度以及电流密度、元件温度等。
本文在建立数学模型的基础上，对晶闸管正向压降的温度特性做了计算，并在不同温度下测试两只KP600型晶闸管。
结果表明，晶闸管正向压降随温度升高而降低，从而引起变流装置的均流系数随温度升高而升高。
为变流装置的使用和实验提供了科学依据。
关键词：晶闸管；通态特性；温度；实验。
目录引言 (4)一、国内外电力电子元件的发展及现状 (4)二、本课题研究的意义 (5)三、晶闸管正向导通压降温度特性的理论计算 (6)四、晶闸管通态压降温度特性试验 (9)五、结论 (11)参考文献 (12)题目：浅谈温度对大功率晶闸管通态特性的影响引言：本文主要研究元件在不同的温度下，元件的通态压降所发生的变化。
我国现在在运营的电力机车整流装置中，每个桥臂由多个元件串并连组成。
由于并联各元件正向压降不同，引起通过每个晶闸管并联支路的电流就不同。
如果差异太大，可能会导致电流最大支路的元件烧损，然后引起雪崩式烧损的故障，使整流装置损坏。
因此，一台合格的变流装置的各并联支路间的电流平衡程度受到严格的限制，可用均流系数min K 表示，当min K ≥0.85时，即满足要求。
通常测试min K 时，只能在一种温度下进行，但实际应用中，晶闸管的温度与实验不同，此时正向导通压降与测试值出现差异。
当桥臂电流不变时，正向导通压降的变化必然引起各元件电流随温度重新分配，使均流系数发生变化。
因此，分析晶闸管正向导通压降随温度变化的特性及其对均流系数的影响，对电力机车变流装置的应用，维护和实验都是十分重要的。
一、 国内外电力电子元件的发展及现状电力半导体元件随着电力电子技术发展的需要，不断改进、革新，从SCR 、GTO 、功率MOSFET 、IGBT 、MCT 到HVIC 等；各种元件适合着一定的应用领域的需要，性能在不断的提高和改善；晶闸管也不断的向更大功率发展，在整流领域发挥自己的作用。
主要以开关方式工作的电力电子元件是电力电子技术的核心和龙头，元件特性的每一步新发展都引起了电力电子技术的相应突破。
晶闸管的出现，实现了弱点对强电的控制，使电子技术步入功率领域， 在工业上引起了一场技术革命，变流装置由旋转方式变为静止方式，体现了提高效率、缩小体积、减轻质量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。
这类元件的主要特性是只能控制其开通，不能控制其关断、电压、电流定额都相当高。
21世纪初，电力电子元件仍然还是想功率化、快速化、模块化、智能化方向发展，在变换和控制领域有着广泛的应用。
随着核电，超导的使用以及电力电子应用的进步，像C S i 一类的新材料和新元件还将不断的出现。
二、 本课题研究的意义尽管新型额功率元件已经被开发和应用，但由于我国半导体技术发展的比较晚，相关技术比较落后，晶闸管仍是我国电力电子工业的主要元件。
本文主要研究元件在不同的温度下，元件的通态压降所发生的变化。
我国现在在运营的电力机车整流装置中，每个桥臂由多个元件串并连组成。
由于并联各元件正向压降不同，引起通过每个晶闸管并联支路的电流就不同。
如果差异太大，可能会导致电流最大支路的元件烧损，然后引起雪崩式烧损的故障，使整流装置损坏。
因此，一台合格的变流装置的各并联支路间的电流平衡程度受到严格的限制，可用均流系数min K 表示，当min K ≥0.85时，即满足要求。
通常测试min K 时，只能在一种温度下进行，但实际应用中，晶闸管的温度与实验不同，此时正向导通压降与测试值出现差异。
当桥臂电流不变时，正向导通压降的变化必然引起各元件电流随温度重新分配，使均流系数发生变化。
因此，分析晶闸管正向导通压降随温度变化的特性及其对均流系数的影响，对电力机车变流装置的应用，维护和实验都是十分重要的。
三、 晶闸管正向导通压降温度特性的理论计算晶闸管正向导通压降fU 由三个部分组成：即结压降jU ，体压降体U 和接触压降U 。
接触压降U 与半导体和金属的接触质量，材料性质，组装质量等有关。
目前，由于材料和制造工艺的改进，U 在通态压降中所占的比例很小，其值可以忽略。
因此，fU 主要由结压降jU 和体压降体U 组成。
他们随温度的变化决定了晶闸管正向导通压降fU 的温度特性。
1. 结压降jU 的计算当通过晶闸管的电流密度为J 时，其jU 可由下式计算：)1ln(+=JsJ qKT AUj(1)式中： A ——常数，与电流密度的大小有关，电流密度大时其值较高；s J ——常态饱和电流密度，3/m A ， )}/()(exp{200113KT T qE T J g s-=其中421063673.417.1)(-⨯+-=T TT E gK ——波尔兹曼常数； T ——绝对温度；q ——电子电荷量。
由式（1）得晶闸管结压降jU 的计算曲线，见图1。
其温度范围是298~398K （25~125℃）。
图1 结压降Uj 的计算结果从图1可见：当电流密度J 不变时，随温度的增加晶闸管结压降jU 降低；当温度不变时，电流增加，jU 也增加。
2. 体压降体U 的计算晶闸管1N 型基区有高掺杂，有较大宽度，因此晶闸管体压降主要是由1N 型基区引起的，其数学模型为：)2/exp()]/exp(21)[1()]2/exp(4.0arctan[41L W KT L W b L W U N ⨯-++=（2）式中：b ——电子与空穴的迁移率之比，b n b μμ/=；W ——修正基区宽度； L ——双极扩散长度。
当温度升高热运动加剧，或掺杂浓度增高时，都会造成载流子单位时间碰撞次数增加，使迁移率下降。
由于迁移率下降，在载流子寿命不变的情况下，由散射引起的扩散系数D 减小。
即扩散长度τD L =减小，LW /增大，体压降增大。
为了降低体压降，在晶闸管设计中LW/≤3,计算中取LW/=2.5。
从式（2）可见，1n U 与电流大小无关，体现电导的调制作用。
但是，大注入时体压降还是和电流有关，这是因为电导调制受到载流子之间的散射的干扰，载流子之间散射会引起压降npnpnq JW Uμ/=。
然而在晶闸管正向压降中jU »1n U ，而1n U »pnU 。
因此在分析晶闸管正向导通压降与温度之间的关系时，可忽略pnU 的影响。
同理，根据式（2）可以计算晶闸管体压降1n U 曲线，见图2。
设定温度在298~398K （25~125℃）。
图2 体压降Un1的仿真结果从图2可见，1n U 随温度的升高而升高。
3. 正向导通压降fU 的计算结果根据式（1），式（2）可得正向导通压降计算式，正向压降fU 的计算结果如图3所示。
图3 正向压降Uf 计算结果从图3可见，晶闸管正向导通压降在导通电流不变时，其值随温度的升高而降低。
当温度升为100K时，125A的正向导通压降降低了0.248V；250A的则降低了0.0252V。
两种电流状态下的正向压降的差值也随着温度的升高而减小，298K时相差0.029V，398K时相差0.025V。
可见，温度升高可使晶闸管特性差异缩小，这对提高均流系数是很有利的。
四、晶闸管通态压降温度特性试验测试装置由晶闸管温度控制部分，电流提供部分和测量部分组成。
晶闸管温度控制由烘箱完成，为保证烘箱温度与晶闸管结温一致，每次温度升高后延续一小时再实验，并保证实验过程中烘箱温度不变。
晶闸管电流由一个大电流发生器提供。
电流发生器可在10ms内提供最高达3300A的正弦脉冲电流，以保证晶闸管实验电流波形与实际情况相同。
正向压降和电流信号均由数字示波器自动检测。
两只同型号的晶闸管（KP600Ⅰ和KP600Ⅱ）在不同电流下U与温度的关系曲线f如图4表示，不同温度下的伏安特性曲线由图5所示。
从图4可见，不同电流下U随温度增加而降低的程度不同；同f一电流下，温度越高正向压降越小。
从图5可见，温度不同，伏安特性不同，在同一电压下，温度高通过的电流也大。
图4 KP600 Uf-T曲线1-KP600Ⅰ（65℃）；2-KP600 Ⅱ（65℃）; 3-KP600Ⅰ（25℃）；4-KP600 Ⅱ（25℃）；图5 KP600 Uf-I曲线五、结论理论分析表明，晶闸管正向导通压降主要由结压降和体压降组成。
在电流不变时，结压降随温度升高而降低，占正向导通压降的主要部分；体压降随温度升高而升高，占导通压降次要部分；最终要使晶闸管正向导通压降随温度的升高而降低。
对KP600型晶闸管在不同温度下正向导通压降实验结果和拟合曲线均表明：在正常使用的电流不变时，晶闸管正向压降随温度升高而降低，实验结果和理论分析计算基本吻合。
对实验数据分析表明：晶闸管正向压降随温度升高而升高会导致均流系数升高。
参考文献：【1】谢步明，韶山7型电力机车[M],北京；中国铁道出版社，1998.【2】杨文焕，变流器均流系数的温度特性[J]，电力电子技术，2003，（2）。
【3】清华大学工业自动化系，大功率可控硅元件[M],北京：人民教育出版社，1975.【4】王益成，苏文虎，电力半导体器件中间测试技术[M],北京；机械工业出版社，1990.【5】铁道部永济电机厂。
TGZ3A-3300∕1550硅整流装置出厂试验报告[Z],永济；铁道部永济电机厂（现中国北车永济新时速电机电器有限责任公司），1992.。
