CN203178831U - 芯片内部温度控制装置以及实验仪 - Google Patents
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Abstract
一种芯片内部温度控制装置，在同一半导体芯片上集成了电加热系统、测温传感器以及含有被测PN结的晶体三极管，采用电加热系统、测温传感器及控制器进行芯片内部温度控制。实验仪包括电源箱、控温台、显示台和电路演示板；控温台包括处理器、驱动电路、环境温度传感器、半导体芯片、控温旋钮、显示单元；控温旋钮连接处理器的温控信号输入端；半导体芯片上集成了含有用于被测PN结的测量用三极管、用于加热的片内加热三极管和用于测量芯片内部温度的片内感温三极管；测量用三极管的基极、发射极和集电极上分别连接有接线端子；处理器的加热电流信号输出端控制片内加热三极管基极和发射极；片内感温三极管的基极b和射极e连接模数转换器的输入端。
Description
技术领域
本实用新型涉及研究芯片温度特性及相关领域，具体涉及一种精确的控制芯片内部温度以及对芯片内部温度实时测量和校准的方法。
本技术方案还提供了作为大中专院校和科研机构电工电子和物理实验装置。本基于芯片级PN结温度控制装置的实验仪特别用在PN结温度特性、伏安特性，以及三极管的其它一些特性的研究和小信号放大电路的了解，同时还应用于物理实验中常数玻尔兹曼常数的测定。
背景技术
现有的芯片工作温度测量的方法和装置种类比较单一，基本都是将待测试芯片置于一个盛有液体（绝缘油或水等）的保温杯中，通过对保温杯中液体的温度控制来间接地控制和测定芯片的温度，即将环境温度近似为芯片内部晶源的温度。而该种装置和方法有明显的缺陷，一是测得温度不准确，这主要是由于芯片内部晶源和外部环境之间有一层保护晶源的塑封壳，该塑封壳的体积和质量都远远大于芯片本身晶源的体积和质量，而无论是芯片内部工作时产生的热量传递到外界环境还是外界环境的热量传递到芯片内部，都要通过塑封壳这层介质，而在这过程中塑封壳本身也会带走一定的热量，实际到达芯片内部的热量要少用化境理论传递的热量，使芯片内部和环境之间存在温度梯度，由此影响的芯片内部的温度并非实际的温度。二是温度控制时间较长，这主要是由于通过保温杯中的液体的热传导给芯片，液体的比热容较大，热惯性也相对于金属固体大，即便是环境温度也不易控制，芯片内部的温度实际波动也很频繁。况且环境和芯片内部之间隔着塑封材料，要达到热平衡需要一定的时间。
目前市场上利用PN结温度变化的实验装置主要有PN结特性研究实验仪和玻尔兹曼常数测定实验仪两类。这两类装置仪器都极大的利用PN结温度的变化。现在市场上存在的对PN结温度进行控制主要是利用保温杯的升降温来测定，其不足之处是PN结温度调节时间长，测量PN结温度不精准。这两点极大地阻碍该控制方法本身的可应用性。
半导体作为集成电路的基石，无论是在计算机、消费电子以及通信设备等都应用了半导体相关产品。为此，作为培养人才的大中专院校也应当提供一个能够使学生认识了解掌握其原理特性的平台。目前市场上存在的对半导体三极管和二极管PN结的研究装置还停留在对其伏安特性的研究，对其温度特性的研究至今没有比较理想的产品出现。温度对集成电路的影响是不可忽视的，由此不可不对其温度特性进行研究。
玻尔兹曼常数K作为热学和统计力学中一个非常重要的物理量，被广大高校物理实验室作为必修实验之一。
由于PN结正向电流I和电压Ube满足关系：
I = I 0[exp（eU be ／KT）－1] （2-1）
exp（eU be ／KT）>>1，可得出I = I 0exp（eU be ／KT） （2-2）
I0为反向饱和电流，e是电子的电荷量。
由（2-2）式可得出只要测出PN结电压Ube，PN结温度T以及正向电流I就可测得波尔兹曼常数K。
目前市场上存在的该类实验设备主要是通过保温杯控制PN结温度，通过测定保温杯的温度来间接近似芯片内部PN结的温度T，由于短时间内芯片内部和保温杯的环境不能够达到热平衡状态芯片内外必会存在温度差，即测得的温度非PN结真实温度，从而加大了玻尔兹曼常数K的准确性。
在实际测量中，二极管的电流不只有扩散电流，还有耗尽层复合电流和表面电流，为了准确测得玻尔兹曼常数K，不采用硅二极管而应用硅三极管接成共基极电路（见图1），以此来消除扩散电流以外电流的影响。
PN结芯片温度对测量结果的影响为Δk/ΔT，在常温（273.15°K）附近，温度误差1℃时将造成波尔兹曼参数约0.3％的实验误差，故实验时不仅要准确地测量PN结的温度值，并要确保实验过程中温度为常数（恒温状态），为满足这一条件以往实验中一般是把PN结置于冰水混合物中进行实验，这种实验温度条件不能变化。
近年来部分仪器通过电子系统进行温度测量和控制，但方法都是以环境温度来代替PN结芯片温度，PN结真实温度无法获知和控制，测量电流的自热效应更是无法消除，存在一定的系统误差，影响测量效果，同时由于系统质量和热容量较大，温度变化缓慢，一个升降温周期数十分钟，所耗时间长。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本技术方案在三极管特性研究实验和玻尔兹曼常数测定实验等中，利用芯片级PN结温度控制方法及装置，可以快速、准确的调节和测量PN温度。
本技术方案是利用芯片级PN结温度控制模块为基础，组成PN结特性研究实验仪和玻尔兹曼常数测定实验仪，本技术方案的思路是，利用芯片内部三极管阵列（例如图2的3046系列）中PN结电流的自热效应和PN结电压随温度变化的关系，来对PN结温度进行控制和测量。具体技术方案如下：
一种芯片内部温度控制方法，是在同一半导体芯片上集成了电加热系统、测温传感器以及含有被测PN结的晶体三极管；
测温传感器与被测PN结位于同一半导体晶片；由处理器对芯片实现加热和温度控制。
同一半导体芯片由至少三个相同三极管组成，并且这几个三极管物理特性极其相近；
对于温度传感器：选取半导体芯片中任意一个三级管来进行芯片内部PN结温度的测量；由于三极管在工作时电流产生热量，并且其PN结温度的升高与PN结两端的电压有为比例关系，当三极管基极电流Ib一定以及集电极电压Uc一定时，该PN结的结电压Ube和结温度T成线性关系，即温度每升高1℃，PN结两端的电压降低Ux，由此通过其中一个三极管的PN结电压变化可以测出芯片内部的用于测量PN结的实时温度；
对于电加热系统：加热模块是利用半导体芯片中的任一个三极管的PN结随着其上电流的升高，其产生的热量也不断增加的原理，通过控制PN结上的电流，进而控制PN结产生热量的多少，从而将该PN结作为芯片内部的被测PN结加热模块。
若要测得被测PN结的真实的温度，还需在芯片工作之前进行校准：温度校准模块是用外部的环境温度传感器采集环境温度；由于在实验仪未启动之前，半导体芯片内部和环境处于同一个热平衡环境，在热平衡状态下，芯片内部的温度等于环境温度；此时由环境温度传感器采集到的温度即为芯片内部初始温度T0；此时作为温度传感器的PN结测得的电压为Ube0，当该PN结温度变化1℃时，PN结两端的电压变化Ux ，该电压Ux通过放大电路放大，并经模数转换器得到能够辨别的信号；
已知PN结电压随温度变化系数为Ut，初始的参考电压为Ube0，控温装置测得的电压为Ubet，芯片内部初始温度T0，由此可得出待测PN结的温度T：
T=T0+（Ubet -Ube0）/ Ut （1-1）
据此，测得PN结的实时温度。
一种芯片内部温度控制装置，包括电源模块、处理器、驱动电路、半导体芯片、控温旋钮、显示单元、模数转换器和数模转换器；电源模块为本芯片内部温度控制装置提供带电源；
控温旋钮连接处理器的温控信号输入端；
所述半导体芯片上集成了至少三个相互独立的三极管；这些三极管中包括：含有用于被测PN结的测量用三极管、用于加热的片内加热三极管和用于测量芯片内部温度的片内感温三极管；
所述测量用三极管的基极、发射极和集电极上分别连接有接线端子，接线端子分别标识为b、e和c；
所述处理器的加热电流信号输出端通过数模转换电路连接控制驱动电路，驱动电路的驱动电流输出端连接片内加热三极管基极和发射极，该基极和发射极之间的PN结作为加热模块，PN结上的电流可调；
所述片内感温三极管的基极电流Ib和集电极电压Uc恒定，片内感温三极管的基极b和发射极e之间的电压信号经放大和经模数转换器转换后传给处理器的片内温度信号输入端；
所述显示单元连接处理器的显示信号输出端。
从芯片内部进行温度控制的方法和装置可以说是一项创新，完全解决了传统方法和装置存在的不足。
一种基于芯片级PN结温度控制的实验仪，包括：
A、电源箱：电源箱内置有交/直流转换电源；电源箱给显示台和电路演示板提供工作电压；
B、电路演示板：电路演示板上载有电压调节器、电阻Ri、电阻Rf、运算放大器、电源测量接线端子、实验用三极管接入接线端子、PN结电压测量接线端子和运算放大器输出电压测量接线端子，它们按照实验电路布置在电路演示板上；
C、显示台：显示台包括电流表、电压表和多量程电压表；
其特征是还包括：
D、控温台：电源箱给温控台提供工作电压；
D、所述控温台包括处理器、驱动电路、半导体芯片、控温旋钮、显示单元、模数转换器和数模转换器；
控温旋钮连接处理器的温控信号输入端；
所述半导体芯片上集成了至少三个相互独立的三极管；这些三极管中包括：含有用于被测PN结的测量用三极管、用于加热的片内加热三极管和用于测量芯片内部温度的片内感温三极管；
所述测量用三极管的基极、发射极和集电极上分别连接有接线端子，接线端子分别标识为b、e和c；
所述处理器的加热电流信号输出端通过数模转换电路连接控制驱动电路，驱动电路的驱动电流输出端连接片内加热三极管基极和发射极，该基极和发射极之间的PN结作为加热模块，PN结上的电流可调；
所述片内感温三极管的基极电流Ib和集电极电压Uc恒定，片内感温三极管的基极b和发射极e之间的电压信号经放大和经模数转换器转换后传给处理器的片内温度信号输入端；
所述显示单元连接处理器的显示信号输出端。
上述技术方案中：
A、交/直流转换电源的直流输出端包括：为控温台和显示台供电的两路相同的直流固定5V电压输出端和一路为电路演示板供电的直流可变电压输出端，该可变电压输出端输出电压为0～1.5V可变的正向电压和0～9V可变的反向电压；
B、所述电压调节器的输入端设有与电源箱的可变电压输出端对应的接线端子；电压调节器的调节旋钮露在电路演示板的表面；
所述电压调节器输出端的“+”极端通过导线连接PN结电压测量接线端子的“-”极端，PN结电压测量接线端子的“-”极端通过导线分别连接三极管接入接线端子基极b端和运算放大器输出电压Vo测量接线端子的“-”极端；
所述运算放大器输出端的“-” 极端通过导线连接电阻Ri的一端；电阻Ri的另一端通过导线连接PN结电压测量接线端子的“-”极端，并且该段导线上还设有接线端子；PN结电压测量接线端子的“-”极端通过导线连接三极管接入接线端子发射极e端；
所述运算放大器的低电平“-”输入端通过导线连接三极管接入接线端子集电极c端；运算放大器的高电平“+”输入端通过导线连接三极管接入接线端子基极b端；运算放大器的输出端通过导线连接运算放大器输出电压测量接线端子的“+”极端；所述电阻Rf通过导线并联接在运算放大器高电平“+”输入端和运算放大器的输出端；
C、所述电流表是测量流经Ri的电流的、电压表是测量PN结两端的电压的和多量程电压表是测量运算放大器输出电压的。
所述所述Rf有阻值不同的两个反馈电阻，两个Rf通过拨动开关选择接入电路。
所述控温台还包括环境温度传感器，环境温度传感器的输出端连接处理器的环境温度信号输入端
基于芯片级PN结温度控制装置实验仪完全弥补了现有技术中，PN结温度调节时间长，测量PN结温度不精准的不足，从芯片内部对PN结温度进行实时控制测量。本实验仪可用于PN结特性研究和玻尔兹曼常数测定实验。
本技术方案利用芯片级温控装置组成的PN结特性研究实验装置可以很理想的向学生展示其特性。
附图说明
图1是测量玻尔兹曼常数K的由硅三极管接成共基极电路。
图2是3046系列芯片内部的三极管阵列示意图。
图3是本技术方案的半导体芯片模型。
图4是LM3046中NPN型三极管基极b和发射极e之间的电压Ube随温度T变化是曲线示意图。
图5是用LF356组成电流～电压变换器原理示意图。
图6是本实验仪的结构示意图。
图7是半导体芯片内部温度测量方法示意图。
图A-1：PN结伏安特性曲线示意图。
图A-2：不同温度下Ube与Ibe关系示意图。
图A-3：PN结温度T和PN结电压Ube的曲线图。
图B-1：在温度T时Ube-Uc关系曲线图和Ube-InUc关系曲线图。
具体实施方式
下面就具体例子，来说明本技术方案方法：
一种芯片内部温度控制方法，是在同一半导体芯片上集成了电加热系统、测温传感器以及含有被测PN结的晶体三极管；
测温传感器与被测PN结位于同一半导体晶片；由处理器对芯片实现加热和温度控制。
同一半导体芯片由至少三个相同三极管组成，并且这几个三极管物理特性极其相近；
对于温度传感器：选取半导体芯片中任意一个三级管来进行芯片内部PN结温度的测量；由于三极管在工作时电流产生热量，并且其PN结温度的升高与PN结两端的电压有为比例关系，当三极管基极电流Ib一定以及集电极电压Uc一定时，该PN结的结电压Ube和结温度T成线性关系，即温度每升高1℃，PN结两端的电压降低Ux，由此通过其中一个三极管的PN结电压变化可以测出芯片内部的用于测量PN结的实时温度；
对于电加热系统：加热模块是利用半导体芯片中的任一个三极管的PN结随着其上电流的升高，其产生的热量也不断增加的原理，通过控制PN结上的电流，进而控制PN结产生热量的多少，从而将该PN结作为芯片内部的被测PN结加热模块。
若要测得被测PN结的真实的温度，还需在芯片工作之前进行校准：温度校准模块是用外部的环境温度传感器采集环境温度；由于在实验仪未启动之前，半导体芯片内部和环境处于同一个热平衡环境，在热平衡状态下，芯片内部的温度等于环境温度；此时由环境温度传感器采集到的温度即为芯片内部初始温度T0；此时作为温度传感器的PN结测得的电压为Ube0，当该PN结温度变化1℃时，PN结两端的电压变化Ux ，该电压Ux通过放大电路放大，并经模数转换器得到能够辨别的信号；
已知PN结电压随温度变化系数为Ut，初始的参考电压为Ube0，控温装置测得的电压为Ubet，芯片内部初始温度T0，由此可得出待测PN结的温度T：
T=T0+（Ubet -Ube0）/ Ut （1-1）
据此，测得PN结的实时温度。
本方法的具体实施例子，如图7，包括电源模块，数据测量处理模块（即处理器），温度校准模块（环境温度传感器），待测芯片样品（半导体芯片），显示单元以及控温旋钮。其中电源模块将220VAC通过220V-5V变压器进行降压，变为5VAC，再通过桥式整流电路转为5VDC，最后通过电磁滤波器和滤波电容进行滤波，输出纹波很小能够供给数据测量处理系统工作的电源电压（具体可以由实验仪中的电源箱实现）。其中数据测量处理模块可以采用为ATMEL公司生产的ATMEGA系列单片机，可以在电压模块提供电源后对信号进行收集和处理，同时发出系列指令，促使外围器件工作，温度控制等功能。温度校准模块可以是采用高精度温度数字温度传感器组成，在开启控温装置时对初始温度进行校对。待测芯片是可以是自身为晶体管阵列的芯片。显示单元可以采用由0.5寸共阳高亮数码管组成的LED显示器或是lcd液晶显示器。
待测芯片在本例中应用的是LM3046芯片。温度校准模块为高精度数字温度传感器18b20。控温旋钮为3590S多圈电位器。
在实际测量中，LM3046芯片是有5个NPN型三极管组成，并且这5个NPN三极管物理特性极其相近，可以任意的选取其中的一个NPN来进行LM3046芯片内部PN结温度的测量。由于三极管在工作时电流会产生热量，并且其PN结温度的升高跟PN结两端的电压有一定的比例关系（附图4），并且在三极管基极电流Ib一定，集电极电压Uc一定时，PN结的结电压Ube和结温度T成线性关系，即温度每升高1℃，PN结两端的电压降低Ux由此通过其中一个NPN三极管的电压变化可以测出芯片内部PN结的实时温度。加热模块是利用一个NPN结随着电流的升高其产生的热量也不断增加，通过外部电流的控制可以控制器产生热量的多少将其作为芯片内部PN结加热模块。若要测得真实的温度还需在芯片工作之前进行校准。温度校准模块采集环境温度，由于在装置未启动之前，芯片内部和环境处于同一个热平衡环境，由热力学第一定律可知，在没有外界做功的情况下，能量总是从高温物体流向低温物体，最终达到同一温度即处于热平衡状态。在热平衡状态芯片内部的温度等于环境温度。此时有18B20高精度数字传感器采集到的温度即为芯片内部初始温度T0。此时控温模块PN结测得的电压为Ube0，当PN结温度变化1℃时，PN结两端的电压变化Ux ，Ux为1.8~2.6mv，该电压的变化非常小，还需要通过放大电路将其进一步放大到模数转换器能够辨别的信号。为此通过差分放大电路将变化的小信号放大传递至信号处理系统。
已知PN结电压随温度变化系数为Ut，初始的参考电压为Ube0 ，控温装置测得的电压为Ubet，由此可得出待测PN结的温度T：
T=T0+（Ubet -Ube0）/ Ut
根据该技术可测得PN结的实时温度，其精度远远大于通过保温杯控制测量芯片温度的效果。并且不存在环境温度的干扰。待测芯片内部温度控制模型见附图3。结合附图3，具体实施方法如下：
首先电源模块与数据测量处理系统相连，即提供该系统工作的电压，数据测量处理系统与温度校正模块相连，温度控制模块和待测芯片均数据测量处理模块相连，数据测量处理模块将测得温度通过显示模块显示出来。
选定芯片内部温度控制测量方法：
a、电源模块给数据测量处理模块提供电压，数据测量处理模块首先通过温度校准模块测量待测芯片温度所处的环境温度，由于芯片内部与环境在工作之前已经处于同一热平衡，环境温度即为芯片内部其实温度。其次，在数据测量处理系统对控温芯片进行温度测量时，先对芯片所处的环境温度进行采集，初始化芯片起始温度；
b、温度校准之后调节控温旋钮，增大或减小流经加热模块PN结的电流使对待测PN结进行加热或降温；
c、当温度控制模块调整之后，通过该温度下测温模块PN结电压的变化反馈至数据测量处理模对电压变化放大，继而进行模数转化，将其温度值传输给显示模块，由此可知芯片内部的温度变化值，以及其实时温度。
一种基于芯片级PN结温度控制的实验仪，包括电源箱、控温台、显示台和电路演示板；电源箱通过导线给控温台、显示台和电路演示板提供工作电压；
A、所述电源箱内置有交/直流转换电源, 交/直流转换电源的直流输出端包括：为控温台和显示台供电的两路相同的直流固定5V电压输出端和一路为电路演示板供电的直流可变电压输出端，该可变电压输出端输出电压为0～1.5V可变的正向电压和0～9V可变的反向电压；
B、所述电路演示板包括电压调节器、电阻Ri、电阻Rf、运算放大器、电源测量接线端子、实验用三级管接入接线端子、PN结电压测量接线端子、运算放大器输出电压测量接线端子；所述所述Rf有阻值不同的两个反馈电阻，两个Rf通过拨动开关接入电路；
所述电压调节器的输入端设有与电源箱的可变电压输出端对应的接线端子；电压调节器的调节旋钮露在电路演示板的表面；
所述电压调节器输出端的“+”极端通过导线连接PN结电压测量接线端子的“-”极端，PN结电压测量接线端子的“-”极端通过导线分别连接三极管接入接线端子基极b端和运算放大器输出电压Vo测量接线端子的“-”极端；
所述电压调节器输出端的“-” 极端通过导线连接电阻Ri的一端；电阻Ri的另一端通过导线连接PN结电压测量接线端子的“-”极端，并且该段导线上还设有接线端子；PN结电压测量接线端子的“-”极端通过导线连接三极管接入接线端子射极e端；
所述运算放大器的低电平“-”输入端通过导线连接三极管接入接线端子集电极c端；运算放大器的高电平“+”输入端通过导线连接三极管接入接线端子基极b端；运算放大器的输出端通过导线连接运算放大器输出电压测量接线端子的“+”极端；所述电阻Rf通过导线并联接在运算放大器高电平“+”输入端和运算放大器的输出端；
C、所述显示台包括测量流经Ri的电流的电流表、测量PN结两端的电压的电压表和测量运算放大器输出电压的多量程电压表；
D、所述控温台包括处理器、驱动电路、环境温度传感器、半导体芯片、控温旋钮、显示单元、模数转换器和数模转换器；（如图7）
控温旋钮连接处理器的温控信号输入端；
所述半导体芯片上集成了至少三个相互独立的三极管；这些三极管中包括：含有用于被测PN结的测量用三极管、用于加热的片内加热三极管和用于测量芯片内部温度的片内感温三极管；
所述测量用三极管的基极、射极和集电极上分别连接有接线端子，接线端子分别标识为b、e和c；
所述处理器的加热电流信号输出端通过数模转换电路连接控制驱动电路，驱动电路的驱动电流输出端连接片内加热三极管基极和射极，该基极和射极之间的PN结作为加热模块，PN结上的电流可调；
所述片内感温三极管的基极电流Ib和集电极电压Uc恒定，片内感温三极管的基极b和射极e之间的电压信号经放大和经模数转换器转换后传给处理器的片内温度信号输入端；
所述显示单元连接处理器的显示信号输出端。
本实验仪的具体实施例如下：
本技术方案的基于芯片级PN结温度控制，是在同一半导体芯片上集成了电加热系统、测温传感器以及含有被测PN结的晶体三极管。测温传感器与PN结位于同一半导体晶片，消除了以环境温度代替PN结真实温度的系统误差以及测量电流引起的自热误差；仪器内的嵌入式单片机系统对芯片实现加热和温度控制，由于半导体芯片本身质量很小（仅毫克量级），热容量很小，因此对温度的控制非常迅速，可达数百次/每秒，全程升温并稳定只要十几秒，全程降温并稳定也只要1～2分钟，控制温度为0.1℃。本技术方案的半导体芯片模型见图3。
本技术方案的特点是，利用了芯片级PN结温度控制技术。在实际测量中，一些芯片（例如LM3046芯片）是由数个相同NPN型三极管组成，并且这几个NPN三极管物理特性极其相近，可以选取其中任意一个NPN来进行芯片（例如LM3046芯片）内部PN结温度的测量。由于三极管在工作时电流会产生热量，并且其PN结温度的升高与PN结两端的电压有一定的比例关系（如图4），并且在三极管基极电流Ib一定以及集电极电压Uc一定时，PN结的结电压Ube和结温度T成线性关系，即温度每升高1℃，PN结两端的电压降低Ux，由此通过其中一个NPN三极管的电压变化可以测出芯片内部PN结的实时温度。
加热模块是利用一个PN结随着电流的升高，其产生的热量也不断增加的原理，通过外部电流的控制，可以控制其产生热量的多少而将其作为芯片内部PN结加热模块。若要测得真实的温度，还需在芯片工作之前进行校准。温度校准模块是用高精度数字传感器采集环境温度，由于在装置未启动之前，芯片内部和环境处于同一个热平衡环境，由热力学第一定律可知，在没有外界做功的情况下，能量总是从高温物体流向低温物体，最终达到同一温度即处于热平衡状态。在热平衡状态下，芯片内部的温度等于环境温度。此时由高精度数字传感器（例如18B20型数字温度传感器）采集到的温度即为芯片内部初始温度T0。此时控温模块PN结测得的电压为Ube0，当PN结温度变化1℃时，PN结两端的电压变化Ux ，Ux为-1.8mv-2.6mv，该电压的变化非常小，还需要通过放大电路将其进一步放大到模数转换器能够辨别的信号。为此通过差分放大电路将变化的小信号放大传递至信号处理系统。
已知PN结电压随温度变化系数为Ut，初始的参考电压为Ube0，控温装置测得的电压为Ubet，芯片内部初始温度T0，由此可得出待测PN结的温度T：
T=T0+（Ubet -Ube0）/ Ut （1-1）
根据该技术可测得PN结的实时温度，其精度远远大于通过保温杯控制测量芯片温度的效果。并且不存在环境温度的干扰。
基于芯片级PN结温度控制装置的实验仪包括控温台、电源箱、显示台以及电路演示面板四部分组成。其中：
电源箱给控温台中的PN结样品（如：LM3046中的PN结）提供电源，电源箱也将电源输送给显示台供其工作，同时电源箱提供可变电源Ube提供电路演示面板的工作。其中控温旋钮可以调节PN结温度的变化，最小变化量可达到0.1℃。LED_1显示PN结的温度。s控温台上的3个插孔分别为b、c、e，是将LM3046芯片中的一个NPN型三极管引出，以便接入电路演示面板。在实验操作中通过测试线将控制台上的b、c、e三个插孔与电路演示面板的上b、c、e相连接。电源箱的虚线框中1所对应的插孔输出5V直流电可以提供控制台工作，虚线框2同为5V直流电提供显示台工作，虚线框3是给电路演示面板提供0～1.5V可变的正向电压和0～9V可变的反向电压。显示台中LED_2是电流表头，可以测得流经Ri的电流，该电流即为流经PN结的电流I，LED_3为2V电压表表头，用来测PN结两端的电压Ube；LED_4是200mv、2.0V、以及20V三档电压表头，Uo=Uc，测量Uo。
利用上述装置进行实验研究有两类，但都是利用图6所示的装置：
一类是三极管特性研究实验，其方法步骤如下：
a、打开电源箱，连接线路。电源箱虚线框1通过导线给控温台提供工作电源，电源箱虚线框2通过导线接入显示台，提供3个LED对应测量表头的工作，电源箱虚线框3通过导线接到电路演示面板可调电源两侧，提供Ube电压。通过导线将电路演示面板上b、e两个插孔分别接到显示台LED_3电压表头，显示PN结两端的电压。电阻Ri两端通过导线接到LED_2，显示通过PN结两端的电流。已知
Ui/Ri=Ibe （1-2）
LED_2即利用（1-2）式有测得PN结电流Ibe。在三极管特性研究实验中只利用电路演示面板的虚线框中的部分回路。
b、在测量之前首先对控温台控温校准，该校准可以在仪器首次使用时一次校准，也可以以后实验开始前校准，但前提是控温台在被测PN结样片已在实验环境中处于热平衡状态。
c、研究三极管PN结伏安特性。伏安特性即PN结电电流Ibe随PN结电压Ube变化的关系。通过Ube调节旋钮调节Ube在0～1.5V之间变化，观察电流Ibe的变动，测出其正向特性。继续通过调节Ube调节旋钮调节Ube在0～-9V之间变化，观察流过PN结电流Ibe的变化，测出其反向特性。将正向特性曲线和反向特性曲线放在同一张坐标纸上可直观的看出其伏安特性。
d、研究三极管PN结温度特性。温度特性是指在不同的温度下，PN结两端电压Ube和流经PN结的电流Ibe的变化关系。通过控温旋钮调节PN结温度，使其稳定在T1，调节Ube电压，并在显示台LED_3观察Ube，在显示台LED_2上观察Ibe的变化，同样再选择其他温度点T2、T3、T4、T5等测试。将不同温度点下的数据绘制在同一坐标纸上可以发现其温度变化产生的影响。
e、研究温度对PN结电流Ibe恒定时，温度T对PN结电压Ube的影响。
另一类是测量波尔兹曼常数。由半导体物理学可知，PN结的正向电流－电压关系满足（1-1）式
I = I 0[exp(eU be ／KT)－1]
在（1-1）式中，I是通过PN结的正向电流，I 0是不随电压变化的常数，T是热力学温度，e是电子的电量，U为PN结正向电压降。由于在常温(T≈300K)时，KT／e≈0.026V ，而PN结正向电压降约为十分之几伏，则exp(eU／KT)>>1，于是有得出（1-1）式：
I = I 0exp(eU be ／KT)
即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN结的I～U关系，利用（1-2）式求出e／KT ，再测得温度T ，代入电子电量e ，即可求得玻尔兹曼常数K。
对于PN结扩散电流的测量，过去常用光点反射式检流计，它的灵敏度约10－9A／分度。但它有许多不足之处，例如，挂丝易断，十分怕震；使用时，稍有不慎，光标易偏出满度；瞬间过载引起引丝疲劳变形，产生不回零及指示偏差较大，使用和维修极不方便。而高输入阻抗运算放大器性能优良，价格低廉，用它组成电流一电压变换器测量弱电流信号，具有输入阻抗低、电流灵敏度高、温漂小、线性好、设计制作简单、结构牢靠等优点，因而被广泛应用于物理测量中。
LF356是高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流～电压变换器，如图5所示。
其中Zr为电流～电压变换器等效输入阻抗，Uin为输入电压，K 0为运算放大器的开环电压增益，即当电阻Rf→∞时的电压增益。Rf 为反馈电阻，Uc为运算放大器的输出电压。由图可知：
Uc = －K0 Uin (2－3)
因为理想运算放大器的输入阻抗Ri→∞，所以信号源输入电流只流经反馈通路，因而有：
IS = (Uin－Uc)／Rf = Uin (1+K0)／Rf (2－4)
由(2－4)式可得电流～电压变换器等效输入阻抗Zr为：
Zr = Uin／IS = Rf／(1+K0)≈Rf／K0 (2－5)
由(2－3)式和(2－4)式可得电流～电压变换器输入电流IS与输出电压Uc之间的关系式，即：
IS =－Uc (1+K0)／(K0Rf) = －Uc(1+1／K0)／Rf ≈－Uc／Rf (2－6)
若已知Rf ，只要测出UO ，即可求得IS值。
若取Rf为1.00MΩ，选用四位半数字电压表的200.00mV档，分辨率为0.01mV ，那么用上述电流～电压变换器和四位半数字电压表能够获得的最小PN结电流测量值为：
Imin = 0.01×10－3V／(1.00×106Ω) = 1×10－11A＝10－5 uA
运算放大器LF356运算放大器的输出最大电压受电源电压限制一般在10V左右，对应的最大PN结电流约为：
Imax = 10V／(1.00×106Ω) = 1×10－5A＝10 uA
由此得到的PN结电流动态范围是Imax/ Imin=106。由于PN结电压Ube与PN结电流为指数关系，实际测量时与此PN结电流对应的PN结电压Ube动态范围为0.10～0.15V左右（分辨率0.01mV、3位有效数字）。
实验时用晶体管发射结作为被测PN结，Ri为输入电阻，改变电源E，可使Ube发生变化，运算放大器输出电压Uc为：
Uc＝IcRf＝RfI0exp(eUbe／KT)＝Uc0 exp(eUbe／KT)
eUbe／kT＝ln(Uc/Uc0)=lnUc－lnUc0
经过整理得：
lnUc＝（e／kT） Ube＋ lnUc0 (2－7)
此即本实验的实验应用公式，它表示在温度T已知为恒定时，lnUc与Ube为线性关系，以Ube为横坐标、lnUc为纵坐标则直线斜率为e／kT，在坐标纸上画出Ube～lnUc关系直线，就可以获得斜率e/KT，代入已知的温度T和电子电量e，就可以求得玻尔兹曼常数K。
采用本实验仪进行实际实验，说明如下：
基于芯片级PN结温度控制方法装置的三极管特性研究实验仪和玻尔兹曼常数测定实验仪根据图6进行实施。
A、对于三极管特性研究实验如下：
电源箱通过导线给控温台、显示台和电路演示板提供工作电压，通过显示面板LED_2用来测试流经PN结的电流Ibe，LED_3输入口分别接来自三极管b、e的导线，显示PN结电压Ube。控温台b、e插孔通过导线与电路演示板b、e插孔相连，将NPN三极管接入电路。调节控温旋钮控制PN结温度。完成实验线路连接。
1、测PN结伏安特性。通过控温旋钮将温度稳定在Tx。通过Ube调节旋钮调节Ube正向电压在0～1.5V之间，从0.30V开始每隔10mv取一Ube电压纪录下来，观察Ibe的变化，并记录Ibe的大小。Ube正向电压不大于0.75V。通过Ube调节旋钮调节Ube反向电压。从0V开始间隔△U逐渐增大反向电压，同时纪录电流Ibe，直到PN结反向电流Ibe明显增大，纪录下反向饱和电流Is和反向击穿电压UBR。绘制其伏安特性曲线，如图A-1。
2、测三极管温度特性。通过控温旋钮调节PN结温度，使其稳定，纪录下此时LED_1显示的温度T1，调节Ube电压，每隔10mv选取一个Ube值，并记录下显示台LED_3显示的Ube值，在显示台LED_2上观察Ibe的变化，纪录此时Ibe值。Ube变化范围在0～0.75V之间，温度T变化范围在室温～110℃。同样再选择其他温度点T2、T3、T4、T5等测试。将不同温度点下的数据绘制在同一坐标纸上可以发现其温度变化产生的影响，如附图A-2。
3、测温度T对PN结电压Ube的影响。此时，只需通过LED_3显示Ube的变化,LED_1显示PN结温度T的变化。通过Ube调节旋钮将Ube稳定到0.700V左右，纪录此时的PN结电压Ube1，控温旋钮调节PN结温度从低到高调节，纪录其实起始温度T1，每隔个△T，纪录一个温度点Tn=△T +Tn-1（n为大于2的自然数），纪录此时的PN结电压Ube。依次选择5～10个温度点以及对应的PN结电压Ube。最后绘制PN结温度T和PN结电压Ube的曲线图。如图A-3。
B、对玻尔兹曼常数测定实验如下：
电源箱通过导线给控温台、显示台和电路演示板提供工作电压，通过显示面板LED_2用来测试流经PN结的电流Ibe，LED_3输入口分别接来自三极管b、e的导线，显示PN结电压Ube，LED_4对应的多量程电压表头用来测量Uc，。由于Uc的变化范围比较大，通过拨动开关调节反馈电阻Rf，可以增大或减小其三极管的放大倍数。当拨动开关拨动到Rf=10kΩ时，输出电压Uc0，；而当Rf=100kΩ是时，输出为Uc是Rf=10k是输出的10倍，即电压Uc=10Uc0。由此可以额外增加一个量程。一共有四个量程即20mv，、200mv，、2v，和20v或者200mv，、2v，、20v，和200v。
控温台的b、c、e插孔通过导线分别与电路演示板b、c、e插孔相连，将NPN三极管接入电路。调节控温旋钮控制PN结温度。完成实验线路连接。
测量数据。首先，通过控温旋钮稳定PN结温度，通过Ube调节旋钮调节PN结电压Ube，Ube变化范围为0～0.75V，最佳实验范围是0.3～0.7v，每隔10mv，选取一个PN结电压Ube，纪录每隔Ube点的Uc值，通过波动开关控制的反馈电阻和多量程电压表头准确的测出Uc的值，并纪录下来。绘制温度T恒定时，Ube-Uc关系图和Ube-InUc关系图，求的Ube-InUc中斜率值，带入电子电量e和热力学温度，推算出玻尔兹曼常数K。同时可以调节PN结温度，计算出几个不同温度点下的K值，加权平均，最终得出玻尔兹曼常数K的大小。在温度T时Ube-Uc关系图和Ube-InUc关系图如附图B-1。由图B-1中Ube-InUc曲线得到其斜率a，已知a=e/KT，e为电子的电量，T为热力学温度。由此可以得出温度T时的玻尔兹曼常。调节PN结温度，计算出几个不同温度点下的K值，加权平均，最终得出玻尔兹曼常数K的大小。
Claims (5)
1. 一种芯片内部温度控制装置，其特征是包括电源模块、处理器、驱动电路、半导体芯片、控温旋钮、显示单元、模数转换器和数模转换器；电源模块为本芯片内部温度控制装置提供带电源；
控温旋钮连接处理器的温控信号输入端；
所述半导体芯片上集成了至少三个相互独立的三极管；这些三极管中包括：含有用于被测PN结的测量用三极管、用于加热的片内加热三极管和用于测量芯片内部温度的片内感温三极管；
所述测量用三极管的基极、发射极和集电极上分别连接有接线端子，接线端子分别标识为b、e和c；
所述处理器的加热电流信号输出端通过数模转换电路连接控制驱动电路，驱动电路的驱动电流输出端连接片内加热三极管基极和发射极，该基极和发射极之间的PN结作为加热模块，PN结上的电流可调；
所述片内感温三极管的基极电流Ib和集电极电压Uc恒定，片内感温三极管的基极b和发射极e之间的电压信号经放大和经模数转换器转换后传给处理器的片内温度信号输入端；
所述显示单元连接处理器的显示信号输出端。
2.一种基于芯片级PN结温度控制的实验仪，其特征是包括：
A、电源箱：电源箱内置有交/直流转换电源；电源箱给显示台和电路演示板提供工作电压；
B、电路演示板：电路演示板上载有电压调节器、电阻Ri、电阻Rf、运算放大器、电源测量接线端子、实验用三极管接入接线端子、PN结电压测量接线端子和运算放大器输出电压测量接线端子，它们按照实验电路布置在电路演示板上；
C、显示台：显示台包括电流表、电压表和多量程电压表；
其特征是还包括：
D、控温台：电源箱给温控台提供工作电压；
所述控温台包括处理器、驱动电路、半导体芯片、控温旋钮、显示单元、模数转换器和数模转换器；
控温旋钮连接处理器的温控信号输入端；
所述半导体芯片上集成了至少三个相互独立的三极管；这些三极管中包括：含有用于被测PN结的测量用三极管、用于加热的片内加热三极管和用于测量芯片内部温度的片内感温三极管；
所述测量用三极管的基极、发射极和集电极上分别连接有接线端子，接线端子分别标识为b、e和c；
所述处理器的加热电流信号输出端通过数模转换电路连接控制驱动电路，驱动电路的驱动电流输出端连接片内加热三极管基极和发射极，该基极和发射极之间的PN结作为加热模块，PN结上的电流可调；
所述片内感温三极管的基极电流Ib和集电极电压Uc恒定，片内感温三极管的基极b和发射极e之间的电压信号经放大和经模数转换器转换后传给处理器的片内温度信号输入端；
所述显示单元连接处理器的显示信号输出端。
3.根据权利要求2所述的基于芯片级PN结温度控制的实验仪，其特征是
A、交/直流转换电源的直流输出端包括：为控温台和显示台供电的两路相同的直流固定5V电压输出端和一路为电路演示板供电的直流可变电压输出端，该可变电压输出端输出电压为0～1.5V可变的正向电压和0～9V可变的反向电压；
B、所述电压调节器的输入端设有与电源箱的可变电压输出端对应的接线端子；电压调节器的调节旋钮露在电路演示板的表面；
所述电压调节器输出端的“+”极端通过导线连接PN结电压测量接线端子的“-”极端，PN结电压测量接线端子的“-”极端通过导线分别连接三极管接入接线端子基极b端和运算放大器输出电压Vo测量接线端子的“-”极端；
所述运算放大器输出端的“-” 极端通过导线连接电阻Ri的一端；电阻Ri的另一端通过导线连接PN结电压测量接线端子的“-”极端，并且该段导线上还设有接线端子；PN结电压测量接线端子的“-”极端通过导线连接三极管接入接线端子发射极e端；
所述运算放大器的低电平“-”输入端通过导线连接三极管接入接线端子集电极c端；运算放大器的高电平“+”输入端通过导线连接三极管接入接线端子基极b端；运算放大器的输出端通过导线连接运算放大器输出电压测量接线端子的“+”极端；所述电阻Rf通过导线并联接在运算放大器高电平“+”输入端和运算放大器的输出端；
C、所述电流表是测量流经Ri的电流的、电压表是测量PN结两端的电压的和多量程电压表是测量运算放大器输出电压的。
4.根据权利要求3所述的基于芯片级PN结温度控制的实验仪，其特征是所述所述Rf有阻值不同的两个反馈电阻，两个Rf通过拨动开关选择接入电路。
5.根据权利要求2、3或4所述的基于芯片级PN结温度控制的实验仪，其特征是所述控温台还包括环境温度传感器，环境温度传感器的输出端连接处理器的环境温度信号输入端。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130904 Termination date: 20150206 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |