在测量pn结正向压降和温度的变化关系时，温度高时△v-t线性好，还是温度低好

低温好，高温影响测量结果

PN

结正向压降与温度关系的研究

从二十世纪六十年代起开始发展的

PN

结传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体小轻巧等特

点，

尤其在温度数字化、

温度控制以及微机进行温度实时讯号处理等方面有很强的相对优势。

常用的温

度传感器有热电偶、

测温电阻器和热敏电阻等，

它们根据各自的特点分别适用于不同的场合。

本实验是

为介绍

PN

结温度传感器的工作原理而设置的，是集电学和热学为一体的综合性实验。

一、实验目的

1

．了解

PN

结的正向压降随温度变化的基本关系。

2

．测绘恒流时

PN

结的正向压降随温度变化的关系曲线，并由此确定其灵敏度和被测

PN

结材料

的禁带宽度。

3

．学习用

PN

结测温的方法。

二、实验原理

1．

PN

结

现代技术是和半导体的应用分不开的，

常用半导体材料有硅和锗。

硅和锗是

4

价元素，

当在硅或锗

中掺入

5

价元素

(

如磷、砷

)

的原子时，半导体中的自由电子数大大超过缺少电子的空穴数，这种半导体

就称为电子型半导体，也叫

N

型半导体；当在硅或锗中掺入

3

价元素

(

如铝、铟

)

的原子时，半导体中的

空穴数大大超过电子数，这种半导体就称为空穴型半导体，也叫

P

型半导体。如果在一块半导体的两

部分分别掺以

3

价和

5

价元素的原子，便形成

P

型半导体和

N

型半导体，在

P

型和

N

型半导体的接界

处就形成了

PN

结。

2

PN

结的测温原理

PN

结重要的独特性能是它只允许单向电流通过。如图

711

（

a

）所示，将

PN

结的

P

区连接电源正

极，

N

区连接电源负极时

(

这种联结

叫做正向偏置

)

，即电压为正向电压

时，

在

PN

结中就形成了正向电流

I

F

，

正向电流随正向电压的增大而迅速

增大；如果像图

711(b)

那样，将

PN

结的

P

区与电源负极相连，

N

区与电

源正极相连时

(

这种联结叫做反向偏置

)

，即电压为反向电压时，在

PN

结中则产生微弱的反向电流，这

微弱反向电流随着反向电压的增大而很快达到饱和，称为反向饱和电流

I

m

。由此可见，

PN

结只有在正

向偏置时才有电流通过，这就是

PN

结的单向导电性。

理想的

PN

结正向电流

I

F

和压降

V

F

存在如下近似关系

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

KT

qV

I

I

F

m

F

exp

（

1

）

式中，

q

为电子电量，

K

=138×10

－

23

J•K

-1

为玻尔兹曼常数，

T

为热

力学温度，

I

m

为反向饱和电流，它的大小

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

=

KT

qV

CT

I

g

m

)

0

(

exp

γ

（

2

）

其中

C

是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数；

γ

是热学

中的比热比，也是一个常数；

V

g

(0)

是热力学温度

T

=0

时，

PN

结材料的能带结构中，它的导带底、价带

顶之间的电势差

——

半导体材料的能带理论中，

把有电子存在的能量区域称作价带，

空着的能量区域叫

导带，而电子不能存在的能量区域叫禁带，如图

712

所示。

E

图

712

半导体的能带结构

导

带

价

带

禁带

F

g

eV

E

=

(a)

(b)

图

711 PN

结的正向偏置和反向偏置

P

N

I

F

V

F

P N

V

F

将式

(2)

带入式

(1)

，两边取对数可得

1

1

)

(ln

ln

)

0

(

n

F

g

F

V

V

T

q

KT

T

I

C

q

K

V

V

+

=

−

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

=

γ

（

3

）

其中，

T

I

C

q

K

V

V

F

g

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

=

ln

)

0

(

1

，

)

(ln

1

γ

T

q

KT

V

n

−

=

。式

(3)

是

PN

结温度传感器的基本方程。当正向电流

I

F

为

常数时，

V

1

是线性项，

V

n

1

是非线性项，这时正向压降只随温度的变化而变化，但其中的非线性项

V

n

1

引起的非线性误差很小

(

在室温下，

γ

=14

时求得的实际响应对线性的理论偏差仅为

0048mV)

。因此，

在恒流供电情况下，

PN

结的正向压降

V

F

对温度

T

的依赖关系只取决于线性项

V

1

，即在恒流供电情况

下，正向压降

V

F

随温度

T

的升高而线性地下降，这就是

PN

结测温的依据。我们正是利用这种线性关

系来进行实验测量。

必须指出，上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间，

对最常用的硅二极管，温度范围约为

-50

℃

—150

℃，若温度超出此范围，由于杂质电离因子减小或本征

激发的载流子迅速增加，

V

F

—

T

的关系将产生新的非线性。更为重要的是，对于给定的

PN

结，即使在

杂质导电和非本征激发的范围内，其线性度也会随温度的高低有所不同，非线性项

V

n

1

随温度变化特征

决定了

V

F

—

T

的线性度，使得

V

F

—

T

的线性度在高温段优于低温段，这是

PN

结温度传感器的普遍规

律。

同时从式

(1)

、

(2)

、

(3)

可以看出，

对给定的

PN

结，

正向电流

I

F

越小非线性项越小，

这说明减小

I

F

，

可以改善线性度。在实验中

I

F

取

50

μА

即可。

三、实验仪器

TH—J

型

PN

结

V

F

—T

特性实验仪等。

1样品室

实验系统由样品室和测试仪两部分组成。样品室的内部结构如图

713

所示，样品室是一个可卸的

筒状金属容器筒盖，内设橡皮圈盖与筒套具

有相应的螺纹，可使两者旋紧保持密封。待

测的

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

铜座上，其管脚通过高温导线分别穿过两旁

空心细管与顶部插座

P1

连接。

加热器装在中

心管的支座下，其发热部位埋在铜座的中心

柱体内，加热电源的引线由中心管上方的插

空

P

2

引入，

P

2

和引线

(

外套瓷管

)

与容器绝缘，

容器为电源负端，

通过插件

P

1

的专用线与测试

仪机壳相连接地，并将被测

PN

结的温度和电

压信号输入测试仪。

2测试仪

测试仪由恒流源、

基准电源和显示器等单

元组成，

如图

714

所示。

恒流源有两组，

一组

提供

I

F

，电流输出范围为

0

～

1000

μА

连续可

调，另一组用于加热，其控温电流为

01A

～

1A

，分为十档，逐档递增或递减

01A

；基准

电源亦分两组，

一组用于补偿被测

PN

结在

0

℃

或室温

T

R

时的正向电压

V

F

(0)

或

V

F

(

T

R

)

，可以

通过设置在仪器面板上的

“

Δ

V

调零

”

电位器旋

图

714

测量原理框图

图

713

实验系统结构图

①样品室

②样品座

③待测

PN

结

④加热器

⑤测温元件

P2

：加热电源插孔

P1

：

DsT

引线座

⑤

①

②

③

④

P1

P2

钮实现

Δ

V

=0

，并满足此条件时若升温，

Δ

V

<0

，若降温，则

Δ

V

>0

，以表明正向压降随温度升高而下降。

另一组基准电源用于温度转换和校准，因本实验采用

AD590

温度传感器测温，它的输出电压以

1mV/K

正比于热力学温度，它工作的温度范围为

-55

℃～

150

℃，相应的输出电压为

2182

～

4232mV

。为了将

输出电压显示在仪器面板上，要求配置

9/2

位的

LED

显示器，另外，为了简化电路而又保持测量精度，

设置了一组

2732mV

的基准电压，

其目的是为了将上述的热力学温标转换成摄氏温标，

即对应于

-55

℃～

150

℃的工作温区内，输给显示单元的电压为

-55

～

150mV

。另一组量程为

±1000mV

的

7/2

位

LED

显示

器用于测量

I

F

、

V

F

和

Δ

V

，可以通过

“

测量选择

”

开关来实现。测试仪面板上设有

V

F

(

温度数字量

)

和

Δ

V

的输出，

DAGD

供

XY

函数记录仪使用。在图

714

所示的测量原理图中，

D

S

为待测

PN

结；

R

S

为

I

F

的

取样电阻；开关

K

起测量选择与极性转换作用，其中

R

、

P

测量

I

F

，

P

、

D

测量

V

F

，

S

、

P

测量

Δ

V

。

四、实验内容

1实验系统检查与连接

（

1

）先对照原理图熟悉测试仪面板上的各个旋钮开关，控温电流开关旋钮应放在

“

关

”

的位置上，

此时加热指示灯不亮。

（

2

）接上加热电源线和信号传输线，它们的连线方式均为直插式，因此，在连接信号线时，应先

看清并对准插头与插座凹凸定位标记，

再按插头的紧线夹部位，

即可插入；

而拆线时，

应拉插头的可动

外套，绝不可鲁莽左右转动，硬拉硬扯引线，以避免拉断影响实验。

2

V

F

（

t

S

）的测量和调零

（

1

）开启测试仪电源，电源开关在机箱后面，预热数分钟。

（

2

）将

“

测量选择

”

开关

(

简称

K

)

拨到

I

F

的位置，由

“

I

F

调节

”

使

I

F

=50

μА

，记录初始测量温度

t

S

(

一

般与当时的室温

t

R

相同

)

，再将

K

拨到

V

F

的位置，记下

V

F

(

t

S

)

值，最后将

K

置于

Δ

V

的位置，由

“

Δ

V

调

零

”

使

Δ

V

=0

，准确记录以上数据。

有时因实验失败，需要重新进行测量时，

PN

结所在处的温度无法降到室温，这时可根据实验条件

选取一个合适的起始温度，记录下该温度值，即可开始测量，测量过程与上面完全相同。

3测定

Δ

V

—

T

曲线

（

1

）开启加热电源

(

指示灯即亮

)

，先将控温电流开关旋钮旋至

03A

，再逐步提高控温加热电流，

实验过程中每测量三个点控温电流增加

01A

即可。

（

2

）

记录对应的

Δ

V

和

T

，

为了减小测量误差，

便于处理数据，

实验中按

Δ

V

每改变

10mV

或

15mV

立即读取一组数据，将数据填入拟定的表格中。

五、注意事项

1

．为保持加热均匀，在整个实验过程中，升温速率要慢，即控温电流一开始不可选择过大，且最

高温度最好控制在

120

℃左右。

2

．在实验过程中应保证

PN

结正向电流为恒定电流，并保持在

50

μА

上。

3

．

Δ

V

在实验开始时应调零，在实验过程中不可再调节。

电控系统有三部分组成：信号输入装置——各种传感器，采集控制系统的信号，并转换成电信号输送给ECU。电子控制单元——ECU，给各传感器提供参考电压，接受传感器信号，进行存储、计算和分析处理后执行器发出指令。执行元件——由ECU控制，执行某项控制功能的装置。电控系统再汽车上的应用十分广泛有电控点火系统、电子燃油喷射系统、怠速控制系统、排放控制系统、进气控制系统、增压控制系统、巡航控制系统、警告系统、自诊断与报警系统、失效保护系统、应急备用系统等多个方面。电控系统在诊断与维修方面有很多要注意的地方：一、使用注意事项</SPAN></p>1</SPAN>驾驶员应了解电控系统各主要元件所在位置，以便对其实行保护。</SPAN></p>2</SPAN>驾驶员应掌握仪表盘上各开关、显示灯、仪表等的作用和功能，弄清仪表盘上英文缩写含义。</SPAN></p>3</SPAN>熟练掌握操作要领，避免误操作。</SPAN></p>4</SPAN>加装电器设备应远离ＥＣＵ，防止干扰或加装防干扰屏蔽设施。</SPAN></p>5</SPAN>检查线束连接器是否有油污、潮湿、松动，要保持线束连接器清洁、连接可靠。</SPAN></p>6</SPAN>蓄电池的极性不许接反，禁止用外接电源起动发动机，以免因电压过高损坏电控系统元件。</SPAN></p>7</SPAN>必须使用无铅汽油，定期更换燃油滤清器。</SPAN></p>8</SPAN>驾驶员必须知道“故障指示灯”工作情况。</SPAN></p>二、检修注意事项</SPAN></p>1</SPAN>接通点火开关时，不允许拆开任何12Ｖ电器装置的连接线路，以防止电器装置中的线圈自感作用产生的瞬时电压损坏ＥＣＵ或传感器。</SPAN></p>2</SPAN>发动机发生故障时，切记盲目拆检。确定机械部分无故障后在检查电控系统。</SPAN></p>3</SPAN>故障诊断时，先根据“故障指示灯”工作情况进行相应检查。</SPAN></p>4</SPAN>注意检查线束连接器是否清洁、连线是否可靠。</SPAN></p>5</SPAN>对燃油系统进行维修前，应拆开蓄电池负极电缆线，以免损坏电控系统元件。</SPAN></p>6</SPAN>在维修中，注意各车型线束连接器的锁扣型式，不可盲目用力硬拉。安装时要插接到位，并将锁扣锁住。</SPAN></p>7</SPAN>对电控系统电路或元件进行检查时，必须使用高阻抗数字万用表检查电压、电阻或电流。</SPAN></p>8</SPAN>发动机熄火后，燃油供给系统残余压力仍较高，对该系统进行拆卸前，必须释放燃油系统的残余压力。</SPAN></p>随着汽车电子技术的发展，只有采用先进的故障诊断分析仪器设备，才能快速、准确地进行故障诊断和检修。</SPAN></p>一、喷油器清洗仪</SPAN></p>1</SPAN>便携式喷油器清洗仪</SPAN></p>无需拆卸，使用方便。</SPAN></p>2</SPAN>固定式喷油器清洗仪</SPAN></p>一般除用来清洗喷油器外，都具有喷油器滴漏检查和喷油量检查功能。</SPAN></p>二、故障诊断仪</SPAN></p>1</SPAN>功能</SPAN></p>（1）快速、方便地读取或清除故障码。</SPAN></p>（2）对发动机控制系统进行动态测试，显示瞬时信息，为诊断故障提供依据。</SPAN></p>（3）能在静态或动态下，向电控系统各执行元件发出检修作业需要的动作指令，以便检查执行元件的工作状况。</SPAN></p>（4）在车辆运行或路试时监测并记录数据流。</SPAN></p>（5）具有示波器功能、万用表功能和打印功能。</SPAN></p>（6）有些诊断仪能显示系统控制电路图和维修指导，以供故障诊断和检修时参考。</SPAN></p>（7）有些功能强大的专用诊断仪能对发动机控制ＥＣＵ进行某些数据的重新输入和更改。</SPAN></p>2</SPAN>常见故障诊断仪简介</SPAN></p>故障诊断仪可分为专用型和通用型两大类。</SPAN></p>专用型：是汽车制造公司为自己生产的汽车而专门设计制造的。一般只适合在特约维修站配备，以便提供良好的售后服务，充分发挥故障诊断仪的功能。</SPAN></p>通用型：是汽车保修设备制造公司为适应诊断检测多种车型而设计制造的，一般都配有不同车系的测试卡和适合各种车型的检测连接电缆连接器，测试卡存储有几十种甚至上百种不同公司、不同车型汽车电控系统的检测程序、检测数据和故障码等资料，适合综合性维修企业使用。</SPAN></p>故障诊断仪的操作方法一般步骤：</SPAN></p>（1）选择测试卡和合适的连接电缆连接器。</SPAN></p>（2）连接故障诊断仪。</SPAN></p>（3）选择测试地址和功能。</SPAN></p>（4）进行测试。</SPAN></p>三、示波器</SPAN></p>主要用来显示控制系统中输入、输出信号的电压波形，以供维修人员根据波形分析判断电控系统故障。示波器比一般电子设备的显示速度快，是唯一能显示瞬时波形的检测仪器，是电控系统故障诊断中的重要设备。</SPAN></p>功能：</SPAN></p>1</SPAN>试各种传感器、执行元件、电路和点火系等电压波形。</SPAN></p>2</SPAN>数字式示波器具有汽车万用表功能。</SPAN></p>3</SPAN>数字式示波器可对测试内容进行记录、回放。</SPAN></p>4</SPAN>能提供在线帮助，包括提供系统工作原理、测试连接方法、接线颜色等。</SPAN></p>四、信号模拟检验仪</SPAN></p>可以模拟发动机控制系统各传感器信号，尤其对电控系统传感器及其线路故障的诊断，利用此类检验仪可简化分析过程、缩短诊断时间。</SPAN></p>五、发动机综检仪</SPAN></p>它是发动机综合性能检验仪的简称。它能对发动机进行不解体综合测试，并配备有标准的数据及专家分析系统，可通过对测试结果与标准数据比较，判断发动机整机或部分系统工作好坏。</SPAN></p>在诊断与维修电控系统时：一向车主了解故障现象。二外部检查</SPAN></p>三用检测仪器进行检测，调取故障码（一）利用随车自诊断系统调取故障码</SPAN></p>1</SPAN>利用仪表板盘上“故障指示灯”的闪烁规律读取故障码（丰田、本田、部分通用、福特、克莱斯勒车系轿车）。</SPAN></p>2</SPAN>利用指针式万用表的指针摆动规律或自制二极管灯的闪烁规律读取故障码（三菱、现代、奔驰、宝马）。</SPAN></p>3</SPAN>利用电控单元上红、绿色发光二极管灯的闪烁规律读取故障码（日产）。</SPAN></p>4</SPAN>利用车上显示器读取故障码（通用卡迪拉克）。</SPAN></p>（二）使用故障诊断仪调取故障码</SPAN></p>第一代随车诊断系统（ＯＢＤ－Ｉ）的汽车，必须使用专用仪器和专用传输线与车上的诊断座对接来调取故障码。</SPAN></p>第二代随车诊断系统（ＯＢＤ－ＩＩ）的汽车，具有统一的故障诊断座和统一的故障代码，只需用一台仪器即调取各汽车制造公司生产的各型汽车故障码。</SPAN></p>（三）间歇性故障诊断</SPAN></p>1</SPAN>振动法</SPAN></p>2</SPAN>加热法</SPAN></p>3</SPAN>水淋法</SPAN></p>4</SPAN>电器全部接通法</SPAN></p>5</SPAN>道路试验法</SPAN></p>（四）无故障码故障诊断（如下表）</SPAN></p>（五）故障诊断表</SPAN></p>在对电控系统进行故障诊断时，按故障码提示或无故障码时，如果通过基本检查不能查明故障原因，则可根据故障现象按故障诊断表进行检查。</SPAN></p>无故障码故障诊断步骤：</SPAN></p>步骤</SPAN></p>检查内容</SPAN></p>正常</SPAN></p>不正常时的处理方法</SPAN></p>1</SPAN></p>发动机不工作时检查蓄电池电压</SPAN></p>不低于11Ｖ</SPAN></p>充电或更换蓄电池</SPAN></p>2</SPAN></p>盘转发动机检查曲轴能否转动</SPAN></p>能转动</SPAN></p>按“故障诊断表”诊断</SPAN></p>3</SPAN></p>起动发动机检查能否起动</SPAN></p>能起动</SPAN></p>直接转到步骤7进行检查</SPAN></p>4</SPAN></p>检查空气滤清器滤心是否过脏或损坏</SPAN></p>滤心良好</SPAN></p>清洁或更换滤心</SPAN></p>5</SPAN></p>检查发动机怠速运转情况</SPAN></p>怠速运转良好</SPAN></p>按“故障诊断表”诊断</SPAN></p>6</SPAN></p>检查发动机点火正时</SPAN></p>点火正时准确</SPAN></p>调整</SPAN></p>7</SPAN></p>检查燃油系统压力</SPAN></p>压力正常</SPAN></p>检查排除燃油系统故障</SPAN></p>8</SPAN></p>检查火花塞和高压线跳火情况</SPAN></p>火花正常</SPAN></p>检查排除点火系统故障</SPAN></p> </SPAN></p>上述检查是否查明故障原因</SPAN></p>查明故障原因</SPAN></p>按“故障诊断表”诊断</SPAN></p>四根据检测结果进行分析。五根据分析结果进行维修。六清楚故障码。七试车观察故障是否解决。我在实习的时候就遇见了一辆单凭简单的故障码分析故障无法修复的车。一辆广州本田雅阁７２３０轿车，行驶里程３０００ｋｍ。故障现象：冷车起动后行驶３０～３５ｋｍ后发动机故障灯亮，加速无力，怠速不稳，有时熄火。热车起动后，开暖气行驶１５～２０ｋｍ后发动机故障灯亮。热车起动后开空调（Ａ／Ｃ），若把出风口调向下方出风，行驶３５～４０ｋｍ后发动机故障灯亮。发动机故障灯第一次亮后，车主进厂进行检修，我用发动机检测仪测得故障为："分电器内信号转子信号不良"，根据维修手册对故障的分析要求，我进行了线路检查，结果良好；对接地线及分电器输出信号进行检查，也没问题。后来怀疑分电器受热后性能不稳定，我更换了分电器总成，清除故障码后进行试车，当车辆行驶４０ｋｍ后故障现象再现。此时，我开始怀疑发动机电脑ＥＣＭ有故障。理由是开空调向下吹风时冷却了发动机电脑（电脑位于中间位置地板处），便更换了一台电脑，并进行行车试验，但行车至３０ｋｍ后故障又一次出现。这时我开始怀疑自己的技术能力，请求技术人员帮忙。在技术人员汇同我一起对此车进行研究后，一致认为故障原因有三个：一是分电器不良，二是电脑不良，三是线路不良。前两项技术已完成，第三项应换发动机线束。技术人员指导我拆下发动机线束后，逐段检查，没有发现任何破损，各接头良好无腐蚀、松动。各插接件插接到位且连接良好。为准确地确定是否为线束问题，还是更换了一新线束进行试车，可故障依旧。无奈，技术人员将故障上报。本田专业技术人员，行程几千里对车辆进行进一步检测与核实，最终经过严密的检查后，更换了一台发电机后，故障消除。事后我对这次修车的全过程进行了总结：误区分析：①分电器信号不良故障原因的分析不能仅凭故障码而定，应采用波形分析，找出真正的信号波形（最好取自电脑输入端子处）及故障发生时的波形变化。②常常认为信号不良单指传感器好坏，而往往忽略一些与信号同步关系的干扰信号，如高压点火故障及发电机故障。③将电脑故障误判为随温度变化�经冷气直吹后降温，此车故障发生里程加长。④正时齿带故障能造成信号不同步，但不会随电脑温度而变化故障再现时间。故障原因分析：此车发生故障后我检查过充电电压，怠速时电压为１２．８～１３．２Ｖ，转速在１５００ｒ／ｍｉｎ时，电压为１３．２～１３．８Ｖ，在标准范围内。但没有做发电机全负荷试验。即打开车上的所有用电器，如大灯、小灯、除霜器、空调及鼓风机最高转速挡等。由于此发电机整流二极管有一组损坏，发电机输出的波形发生了歧变，造成峰值电压及电流产生严重脉动，使蓄电池两端电压产生脉动干扰，电脑接地（蓄电池负极）电位也随之产生脉动干扰。当这个干扰脉冲幅值大于±０．７Ｖ时，电脑误认为分电器信号丢失，点亮故障灯，记忆故障码，进入备用程序工作，从而造成发动机加速不良，怠速不稳的故障。由上面这个我亲身经历的事件可以看出，我之所以没能自己修好这辆车是我的技术还不过硬，再加上我经验不足和思考上的不够全面，所以我没能修好这辆车。通过这件事认识到了自己的不足。虽然汽车控制系统的高度电子化给我们带来了新的问题，但问题一定会被解决的。金奔腾公司现在已经在这样做了。