半导体传感器2014-3

1、第三章第三章 半导体温度传感器半导体温度传感器3.1 半导体温度传感器的物理基础半导体温度传感器的物理基础3.2 半导体电阻式温度传感器半导体电阻式温度传感器3.3 半导体半导体PN结型温度传感器结型温度传感器3.4 半导体集成温度传感器半导体集成温度传感器n 半导体材料的热敏效应，主要体现在温度对半导体材料的热敏效应，主要体现在温度对半导体材料电学性质的影响上，半导体材料电学性质的影响上，材料的禁带宽度、材料的禁带宽度、载流子浓度载流子浓度和和载流子的迁移率载流子的迁移率是受温度影响较大是受温度影响较大的主要因素。的主要因素。n禁带宽度受温度的影响禁带宽度受温度的影响 一般而言，一般而言，随

2、温度的升高，半导体材料的禁随温度的升高，半导体材料的禁带宽度逐渐减小带宽度逐渐减小，基本的关系式为：，基本的关系式为：3.1 半导体温度传感器的物理基础半导体温度传感器的物理基础 TTEgTEg20n载流子浓度载流子浓度ni受温度的影响受温度的影响 以半导体材料的本征载流子浓度为例，二者之以半导体材料的本征载流子浓度为例，二者之间的关系可以用下式来表示：间的关系可以用下式来表示： 随着温度的升高，随着温度的升高，ni呈指数增大的趋势呈指数增大的趋势。n迁移率迁移率受温度的影响受温度的影响 根据散射理论，载流子的迁移率受多种因素的根据散射理论，载流子的迁移率受多种因素的影响，其中以影响，其中以电

3、离杂质散射和晶格振动散射为主，电离杂质散射和晶格振动散射为主，二者均受温度的影响二者均受温度的影响。)2exp(23kTEgTni n 利用半导体材料的热敏效应，可以制作成各种各利用半导体材料的热敏效应，可以制作成各种各样的半导体温度传感器，在本章中我们主要学习半导样的半导体温度传感器，在本章中我们主要学习半导体电阻式温度传感器（以半导体热敏电阻）、半导体体电阻式温度传感器（以半导体热敏电阻）、半导体pn结型温度传感器（温敏二极管、温敏三极管）以结型温度传感器（温敏二极管、温敏三极管）以及集成温度传感器的常见实例。及集成温度传感器的常见实例。电离杂质散射：电离杂质散射：231TNii声学波散射

4、：声学波散射：光学波散射：光学波散射：2/ 3 Ts1exp01Tkho几种散射同时存在时几种散射同时存在时, ,有有: :.1111osin 电阻式温度传感器主要包括热电阻（金属，电阻式温度传感器主要包括热电阻（金属，如铂、铜电阻温度计等）和半导体热敏电阻如铂、铜电阻温度计等）和半导体热敏电阻。半。半导体热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不导体热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-200880）热敏电阻已逐渐取代传统的温度）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。传感器。n一、半导体热敏电阻的结构一、半导体热敏电

5、阻的结构 热敏电阻结构通常采用热敏电阻结构通常采用金属氧化物材料金属氧化物材料利用利用特殊的陶瓷工艺，制成特殊的陶瓷工艺，制成烧结体烧结体，外形及结构如图，外形及结构如图3.1所示。所示。3.2 半导体电阻式温度传感器半导体电阻式温度传感器图图3.1 热敏电阻外形及结构示意图热敏电阻外形及结构示意图二、热敏电阻的工作原理二、热敏电阻的工作原理 半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻随温度半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻随温度变化而变化的性质进行温度的检测变化而变化的性质进行温度的检测。按热敏电阻的阻。按热敏电阻的阻值与温度关系不同可分为：值与温度关系不同可分为：正温度系数热敏电阻正温度系数热

6、敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（）、负温度系数热敏电阻（NTC）和和临界温度临界温度热敏电阻（热敏电阻（CTR）。）。PTC的工作原理的工作原理(Positive Temperature Coefficient) PTC热敏电阻通常采用钛酸盐（热敏电阻通常采用钛酸盐（BaTiO3）系列）系列材料（掺杂后），其特点是在某一温度材料（掺杂后），其特点是在某一温度Tc（居里点）（居里点）附近，电阻率从负温度系数转变为正温度系数，且电附近，电阻率从负温度系数转变为正温度系数，且电阻率急剧增大阻率急剧增大37个数量级，可作温度开关使用，居个数量级，可作温度开关使用，居里点可通过掺杂来控制。里点可通

7、过掺杂来控制。 PTC热敏半导体具有多晶结构，各晶粒内部为热敏半导体具有多晶结构，各晶粒内部为半导电性区，晶界为高阻层区，外加电压时，电压半导电性区，晶界为高阻层区，外加电压时，电压大部分落在高阻的晶界层上，因而电子通过晶界的大部分落在高阻的晶界层上，因而电子通过晶界的难易程度将对材料的导电性能起主要作用，可以利难易程度将对材料的导电性能起主要作用，可以利用用晶界势垒模型晶界势垒模型来解释来解释PTC材料的材料的工作原理工作原理： 把晶界看成存在一个电子势垒，当温度在居里把晶界看成存在一个电子势垒，当温度在居里点以下时，高阻的晶界具有较大的介电常数，势垒点以下时，高阻的晶界具有较大的介电常数，

8、势垒高度很小，电子很容易越过势垒，材料的电阻率小；高度很小，电子很容易越过势垒，材料的电阻率小；当温度高于居里点时，晶格的介电常数急剧减小，当温度高于居里点时，晶格的介电常数急剧减小，势垒随之急剧增高，因而电子难以越过势垒，相应势垒随之急剧增高，因而电子难以越过势垒，相应材料的电阻率上升，表现出正温度系数。材料的电阻率上升，表现出正温度系数。NTC的工作原理的工作原理(Negative Temperature Coefficient) NTC热敏电阻大多数是由一些热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物过渡金属氧化物（主要用（主要用Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）在一定的烧结条等氧化物）在一定的烧

9、结条件下形成半导体金属氧化物作为基体材料，它们常具有件下形成半导体金属氧化物作为基体材料，它们常具有P型半导体型半导体的特性。在温度测量中，主要采用的特性。在温度测量中，主要采用NTC材料。材料。 工作原理工作原理：对于具有：对于具有P型半导体性质的型半导体性质的NTC材料，材料，在室温范围内可看作已全部电离，载流子浓度基本与温在室温范围内可看作已全部电离，载流子浓度基本与温度无关，主要考虑度无关，主要考虑迁移率与温度的关系迁移率与温度的关系，而迁移率随着，而迁移率随着温度的升高逐渐增大，使材料的电阻率逐渐减小，表现温度的升高逐渐增大，使材料的电阻率逐渐减小，表现为负的温度系数。为负的温度系数

10、。)exp(0kTE)exp(0kTERRTTnCTR热敏电阻热敏电阻(Critical Temperature Resistor) CTR热敏电阻可以看做是热敏电阻可以看做是NTC的特例，的特例，可用可用V、Ba、Sr、P等氧化物混合烧结制成等氧化物混合烧结制成。该类电阻器的。该类电阻器的电阻值在某特定温度处随温度升高而急剧降低电阻值在某特定温度处随温度升高而急剧降低34个数量级，即具有很大负温度系数，这个急剧变化个数量级，即具有很大负温度系数，这个急剧变化的温度我们称为的温度我们称为骤变温度骤变温度。CTR热敏电阻也可作为热敏电阻也可作为温度开关使用。温度开关使用。 CTR热敏电阻的温度变

11、化时，氧化物的晶格结热敏电阻的温度变化时，氧化物的晶格结构和组份常常有很大的变化构和组份常常有很大的变化，使其电阻率有大幅度，使其电阻率有大幅度的降低。的降低。热敏电阻的温度特性（热敏电阻的温度特性（R RT TT T） 1234060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C图图3.2 热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性温度特性曲线曲线1- -NTC；2- -CTR； 3- - PTC三、热敏电阻器主要特性三、热敏电阻器主要特性 正电阻温度系数（正电阻温度系数（PTCPTC）热敏电阻的温度特性：）热敏电阻的温度特性：其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近

12、结构其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如下图。如下图。10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2图图3.2 PTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度曲线温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2Tc=175 CPTC热敏电阻热敏电阻的特点之一是的特点之一是它的居里点可它的居里点可以通过掺杂来以通过掺杂来控制。控制。 PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻两端，电阻温度曲线上有温度曲线上有两个拐点

13、：两个拐点：Tp1和和Tp2。经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻电阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式温度特性可近似用下面的实验公式表示：表示：式中式中 RT、RT0温度分别为温度分别为T、T0时的电阻值；时的电阻值； BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：若对上式取对数，则得：0exp0TTBRRPTT0lnln0TPTRTTBR以以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。可见：可见： 正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数正温度系

14、数热敏电阻器的电阻温度系数tp ，正好等于它的材料常数，正好等于它的材料常数BP的值。的值。 lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mr图图3.3 lnRTT 表示的表示的PTC热敏电阻器电阻热敏电阻器电阻温度曲线温度曲线lnRrTPPTPTPTTtpBTTBRTTBRBdTdRR00expexp100对上式微分，可得对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻的电阻温度系数tpRT、RT0温度为温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；时热敏电阻器的电阻值； BN NTC热敏电阻的材料常数。热敏电阻的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体由

15、测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。），都能利用该式，它仅是一个经验公式。 负电阻温度系数负电阻温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性011exp0TTBRRNTTNTC的电阻的电阻温度关系的一般数学表达式为：温度关系的一般数学表达式为：0ln11ln0TNTRTTBR如果以如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为式是一条斜率为BN ，通过点，通过点(1/T，lnRT

16、)的一条直的一条直线线,如图如图3.4。105104103102 0 -101030507085100120T/C电阻/图图3.4 NTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻-温度曲线温度曲线材料的不同或配方的比例和方法不同，则材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不也不同。同。用用lnRT1/T表示负电阻温度系数热敏电阻表示负电阻温度系数热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便温度特性，在实际应用中比较方便。为了使用方便，常取环境温度为为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度作为参考温度（即（即T0=25），则），则NTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度温度关系式：关系式：29811e

17、xp25TBRRNTRT/R25BN关系如下表关系如下表02550751001250.511.522.533.5(25C,1)图图3.5 RT / RT0-T特性曲线特性曲线RT/R25T表表3.1 RTR25BN系数表系数表RTR25BNR50R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0

18、203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0R25R75R25R-20R25R150R25R100R25 abcdUmU0I0ImU/VI/mA图图3.6NTC热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻器的伏安特性（热敏电阻器的伏安特性（U UI I）负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电

19、阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出时的静态介质中测出的静态的静态UI曲线。曲线。O从图中看出，随着电阻从图中看出，随着电阻两端电压电流的增大，两端电压电流的增大，NTC的伏安特性曲线发的伏安特性曲线发生了变化，并且出现负生了变化，并且出现负阻区。阻区。热敏电阻的自热热敏电阻的自热有可能引起测量误差有可能引起测量误差。 NTC热敏电阻的伏安特性曲线可以这样理解热敏电阻的伏安特性曲线可以这样理解： 在开始在开始oa段与普通电阻一样服从欧姆定律，段与普通电阻一样服从欧姆定律，表现为直线；随着电流增加，引起热敏电阻自热表现为直线；随着电流

20、增加，引起热敏电阻自热温升超过环境温度，热敏电阻的阻值下降，耗散温升超过环境温度，热敏电阻的阻值下降，耗散功率增加，相应电压变化的较为缓慢，因此出现功率增加，相应电压变化的较为缓慢，因此出现非线性正阻区非线性正阻区ab段；当电流继续增加，其电压值段；当电流继续增加，其电压值达到最大达到最大Um时，若电流继续增加，热敏电阻自身时，若电流继续增加，热敏电阻自身加温剧烈，使电阻值减小的速度超过电流增加速加温剧烈，使电阻值减小的速度超过电流增加速度，因此热敏电阻的电压降随电流的增加反而降度，因此热敏电阻的电压降随电流的增加反而降低，形成低，形成bcd段的负阻区。而当电流超过某一允段的负阻区。而当电流超

21、过某一允许值时，热敏电阻将被烧坏。许值时，热敏电阻将被烧坏。 曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故，符合欧姆定律如故，符合欧姆定律如oa段。当电压升高使热敏电阻段。当电压升高使热敏电阻器温度超过环境温度时，由于器温度超过环境温度时，由于PTC效应材料电阻值效应材料电阻值逐渐增大，曲线开始弯曲斜率增大，如逐渐增大，曲线开始弯曲斜率增大，如ab段。段。 1041031021011

22、05Um10110210310010-1Im图图3.7 PTC热敏电阻器的静态伏安特性热敏电阻器的静态伏安特性正温度系数（正温度系数（PTCPTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性当电压增至当电压增至Um时，电时，电流达最大值流达最大值Im；电压继；电压继续增加，由于温升引起续增加，由于温升引起电阻值增加的速度超过电阻值增加的速度超过电压增加的速度，电流电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率反而减小，即曲线斜率由正变负，如由正变负，如bc段。段。 abco 标称电阻标称电阻R R2525（冷阻）（冷阻）标称电阻值是热敏电阻在标称电阻值是热敏电阻在25250.20.2时的阻值。时的阻

23、值。 3 3、热敏电阻的基本参数、热敏电阻的基本参数 材料常数材料常数B BN N是表征负温度系数是表征负温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器材料的物理特性热敏电阻器材料的物理特性常数。常数。B BN N值决定于材料的激活能值决定于材料的激活能E E, ,具有具有B BN N= =E E2 2k k的的函数关系，式中函数关系，式中k k为波尔兹曼常数。一般为波尔兹曼常数。一般B BN N值越大，值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，内，B BN N值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的

24、。加的。 电阻温度系数（电阻温度系数（%/%/）热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1 1 时电阻值的变化率。时电阻值的变化率。 耗散系数耗散系数H H热敏电阻器温度变化热敏电阻器温度变化11所耗散的功率变化量。在工所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时作范围内，当环境温度变化时, ,H H值随之变化值随之变化, ,其大小其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。有关。 时间常数时间常数热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的电阻器的温度

25、变化量从开始到最终变量的63.263.2所需所需的时间。它与热容量的时间。它与热容量C C和耗散系数和耗散系数H H之间的关系：之间的关系：HC 最高工作温度最高工作温度T Tmaxmax热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度：许的最高温度：T T0 0环境温度；环境温度；P PE E环境温度为环境温度为T T0 0时的额定功率；时的额定功率；H H耗散系数耗散系数 最低工作温度最低工作温度T Tminmin热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。最低温度。 转变点温度转变点

26、温度T Tc c热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。阻。HPTTE0max 额定功率额定功率P PE E热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下允许的消耗功率。在此功率下, ,它自身温度不应超过它自身温度不应超过T Tmaxmax。 测量功率测量功率P P0 0热敏电阻器在规定的环境温度下热敏电阻器在规定的环境温度下, ,受到测量电流加热受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过而

27、引起的电阻值变化不超过0.10.1时所消耗的功率时所消耗的功率 工作点电阻工作点电阻R RG G在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。 tnHP10000 工作点耗散功率工作点耗散功率P PG G电阻值达到电阻值达到R RG G时所消耗的功率：时所消耗的功率：U UG G电阻器达到热平衡时的端电压。电阻器达到热平衡时的端电压。GGGRUP2 功率灵敏度功率灵敏度K KG G热敏电阻器在工作点附近消耗功率热敏电阻器在工作点附近消耗功率lmWlmW时所引起电阻时所引起电阻的

28、变化，即：的变化，即：在工作范围内，在工作范围内，K KG G随环境温度的变化略有改变。随环境温度的变化略有改变。 稳定性稳定性热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持原有特性的能力。它可用热敏电阻器的主要参数变持原有特性的能力。它可用热敏电阻器的主要参数变化率来表示。最常用的是以电阻值的年变化率或对应化率来表示。最常用的是以电阻值的年变化率或对应的温度变化率来表示。的温度变化率来表示。 KGR/P 热电阻值热电阻值R RH H指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时时, ,电阻器达到热

29、平衡状态时的电阻值。电阻器达到热平衡状态时的电阻值。 加热器电阻值加热器电阻值RrRr指旁热式热敏电阻器的加热器，在规定环境温度条件指旁热式热敏电阻器的加热器，在规定环境温度条件下的电阻值。下的电阻值。 最大加热电流最大加热电流I Imaxmax指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流。指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流。 标称工作电流标称工作电流I I指在环境温度指在环境温度2525时，旁热式热敏电阻器的电阻值被时，旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。稳定在某一规定值时加热器内的电流。 标称电压标称电压 它是稳压热敏电阻器在规定温度下标称工作它是稳压热敏电阻器在规定

30、温度下标称工作电流所对应的电压值。电流所对应的电压值。 元件尺寸元件尺寸指热敏电阻器的截面积指热敏电阻器的截面积A A、电极间距离、电极间距离L L和直径和直径d d。 以以NTCNTC为温度传感器的测温电路为温度传感器的测温电路 图图3.8 热敏电阻测温电路热敏电阻测温电路四、热敏电阻器应用电路四、热敏电阻器应用电路AB电路测温原理：电路测温原理： 测量前调零，放大器输出电压恰好使表头指向测量前调零，放大器输出电压恰好使表头指向标准温度值。当被测温度升高时，标准温度值。当被测温度升高时，RTRT减小，节点减小，节点A A处处电位降低，运放输出电压升高，表头指针偏转角度电位降低，运放输出电压升

31、高，表头指针偏转角度增大，指示较高的温度；增大，指示较高的温度； 当被测温度降低时，节点当被测温度降低时，节点A A处电位升高，运放处电位升高，运放输出电压降低，表头指针偏转角度减小，指示较低输出电压降低，表头指针偏转角度减小，指示较低的温度。的温度。2.2.温度上下限报警电路温度上下限报警电路 图图3.9 温度上下限报警电路温度上下限报警电路电路测温原理：电路测温原理： 当当R RT T减小使减小使V Va aVVb b达到临界时，比较器输出高电达到临界时，比较器输出高电压，压，VTVT1 1导通，导通，LEDLED1 1发光报警；发光报警； 当当R RT T增大使增大使V Va aVVb

32、b达到临界时，比较器输出低电达到临界时，比较器输出低电压，压，VTVT2 2导通，导通，LEDLED2 2发光报警。发光报警。3.3 半导体半导体PN结型温度传感器结型温度传感器 半导体结型温度传感器主要利用半导体结型温度传感器主要利用pn结的电流电结的电流电压特性与温度之间的关系压特性与温度之间的关系作为理论基础，我们以作为理论基础，我们以温温敏二极管和温敏晶体管敏二极管和温敏晶体管为例，来研究结型温度传感为例，来研究结型温度传感器的一般性能。器的一般性能。在结构上，在结构上，PN结型温度传感器器件结型温度传感器器件和普通的二极管、三极管没有太大区别和普通的二极管、三极管没有太大区别。 3.

33、3.1 半导体温敏二极管半导体温敏二极管 一、温敏二极管的工作原理一、温敏二极管的工作原理 二极管温度传感器是利用正向压降与温度的关二极管温度传感器是利用正向压降与温度的关系实现温系实现温-电转换的，其工作原理可简单描述为：电转换的，其工作原理可简单描述为：温温敏二极管正向偏置时，正向电流敏二极管正向偏置时，正向电流If保持恒定，正向压保持恒定，正向压降降Vf随着温度随着温度T的升高而减小的升高而减小。 对于理想的对于理想的pn结，其电流电压方程为：结，其电流电压方程为： 在正向偏压下，一般都有在正向偏压下，一般都有 因此因此 1exp1exp)(000000TkqVJJLpqDLnqDJTk

34、qVLpqDLnqDxJxJJspnpnpnspnpnpnnppn则令TkqVJJs0exp,/qkTVF 我们把我们把JS中与温度有关的项单独写出，其他与温度无中与温度有关的项单独写出，其他与温度无关的因素用常数关的因素用常数B来表示，整理之后的关系为：来表示，整理之后的关系为： 从而得到压降与温度之间的关系为：从而得到压降与温度之间的关系为： 该式直接反映了二极管的正向电压与温度之间关系，该式直接反映了二极管的正向电压与温度之间关系， 若若If一定，一定，Vf随温度随温度T的升高而减小，呈负温度特性。的升高而减小，呈负温度特性。EgEg 为了讨论问题的方便，设已知温度为了讨论问题的方便，设

35、已知温度T1下工作电下工作电流为流为If1，正向压降为，正向压降为Vf1，可得正向压降与温度之间，可得正向压降与温度之间的另一种表达方式：的另一种表达方式： 二、温敏二极管的特性二、温敏二极管的特性 非线性的影响非线性的影响 从压降与温度之间的关系可以看出，当温敏二极从压降与温度之间的关系可以看出，当温敏二极管的电流管的电流If正比于绝对温度正比于绝对温度T的的次幂时，次幂时，Vf与与T之间之间才会出现真正的线性关系。并且，我们在考虑正向才会出现真正的线性关系。并且，我们在考虑正向电流电压特性的时候，只考虑了扩散电流，而实际电流电压特性的时候，只考虑了扩散电流，而实际的正向电流中还包括了势垒区

36、复合电流等因素，会的正向电流中还包括了势垒区复合电流等因素，会更加复杂。更加复杂。)()ln()(1111fffggfIITTqkTTTVVVV 温敏差分对管的核心思温敏差分对管的核心思想想，是选择两个参数一样的，是选择两个参数一样的温敏二极管同时测量温度温敏二极管同时测量温度T，给它们提供不同的两个工作给它们提供不同的两个工作电流电流If1、 If2，两个管子的电，两个管子的电压差压差 Vf与温度之间的关系与温度之间的关系为：为： 可见，可见，只要两个管子的只要两个管子的电流比值恒定，则电压差与电流比值恒定，则电压差与温度温度T之间呈现良好的线性之间呈现良好的线性关系关系，优于单管。，优于单

37、管。 为了提高温敏二极管的线性度，我们可以将温为了提高温敏二极管的线性度，我们可以将温敏二极管组合成敏二极管组合成温敏差分对管电路温敏差分对管电路的形式。的形式。3.10 3.10 温敏二极管的差分温敏二极管的差分对管电路对管电路线性测量范围线性测量范围存在高、低温特性存在高、低温特性图图3.11 温敏二极管的温敏二极管的Vf-T关系曲线关系曲线 温敏二极管温敏二极管Vf-T的近线性关系只能保持在一定的近线性关系只能保持在一定温度范围内，如图所示温度范围内，如图所示。当温度升高或降低到一定当温度升高或降低到一定值时，材料载流子浓度发生突变，导致半导体的电值时，材料载流子浓度发生突变，导致半导体

38、的电阻率发生很大变化，线性关系会偏离阻率发生很大变化，线性关系会偏离。低温特性：低温特性：在工作电流恒定的情况下，若温度下降在工作电流恒定的情况下，若温度下降到一定程度，到一定程度， Vf将急剧增加。这是因为在低温时出将急剧增加。这是因为在低温时出现了现了“冻析效应冻析效应”， 即低温时只有少量杂质电离提即低温时只有少量杂质电离提供载流子，温度越低则电离率越低，相当于更多的供载流子，温度越低则电离率越低，相当于更多的载流子被从导带或价带载流子被从导带或价带“冻析冻析”出去，回到杂质能出去，回到杂质能级上，中性杂质原子的数量随着温度降低而增加，级上，中性杂质原子的数量随着温度降低而增加，半导体材

39、料的电阻率增加。半导体材料的电阻率增加。 二极管测得的压降二极管测得的压降Vf包含两部分包含两部分半导体材半导体材料电阻压降料电阻压降VR和和pn结上压降结上压降Vj 。在低温时，由于。在低温时，由于材料电阻率增大，使半导体材料电阻上的压降材料电阻率增大，使半导体材料电阻上的压降VR急急剧增大，所以二极管压降也增大，曲线在低温区发剧增大，所以二极管压降也增大，曲线在低温区发生突变。生突变。而突变点的温度大小主要取决于半导体材而突变点的温度大小主要取决于半导体材料的种类以及杂质的电离能，电离能越低，突变点料的种类以及杂质的电离能，电离能越低，突变点的温度越低。的温度越低。高温特性：高温特性：高温

40、时，电子的高温时，电子的本征激发本征激发起主导作用，起主导作用，随着本征激发的增加，随着本征激发的增加，pn结正向压降随着温度的增结正向压降随着温度的增加将变化得非常缓慢，电流电压关系不再成立，造加将变化得非常缓慢，电流电压关系不再成立，造成新的非线性。成新的非线性。 禁带宽度大的材料做成禁带宽度大的材料做成pn结温度传感器，在高结温度传感器，在高温区能获得比较宽的线性范围温区能获得比较宽的线性范围，这是因为禁带宽度，这是因为禁带宽度越大的材料本征激发载流子浓度越低。越大的材料本征激发载流子浓度越低。)2exp(23kTEgTni 3.3.2 温敏晶体管（温敏三极管）温敏晶体管（温敏三极管）

41、一、温敏晶体管的工作原理一、温敏晶体管的工作原理 二极管作为温敏器件是利用二极管作为温敏器件是利用pn结在恒定正向电结在恒定正向电流下，其正向电压与温度之间的近线性关系来实现流下，其正向电压与温度之间的近线性关系来实现的，而采用温敏，则考虑的是的，而采用温敏，则考虑的是在三极管导通情况下，在三极管导通情况下，集电极电流集电极电流I IC和发射结正向压降和发射结正向压降Vbe之间的关系。之间的关系。 若温敏晶体管的集电极电流若温敏晶体管的集电极电流IC是常数时，发射是常数时，发射结压降结压降Vbe与温度与温度T之间的关系为之间的关系为： 设在某已知温度下测得的设在某已知温度下测得的Vbe和和Ic

42、值分别为值分别为Vbe1和和Ic1，又得到温敏晶体管又得到温敏晶体管Vbe -T的第二种表达方式：的第二种表达方式： 当当IC恒定时，第三项远小于第二项，即恒定时，第三项远小于第二项，即Vbe随温度的随温度的升高近似线性地减小，呈负温度特性。升高近似线性地减小，呈负温度特性。 温敏晶体管的工作原理温敏晶体管的工作原理可简单描述为：可简单描述为：当三极管导通当三极管导通时，集电极电流时，集电极电流IC恒定时，发射结压降恒定时，发射结压降Vbe随温度随温度T的的升高而减小。升高而减小。)()ln()(1111ffbeggbeIITTqkTTTVVVV二、温敏晶体管特性二、温敏晶体管特性线性化线性化

43、带反馈电路的温敏晶体管带反馈电路的温敏晶体管 其核心思想是：其核心思想是：利用反馈电路向温敏晶体管输利用反馈电路向温敏晶体管输入与温度入与温度T的的次幂保持相关的集电极电流次幂保持相关的集电极电流IC，尽量，尽量减小第三项的非线性影响。减小第三项的非线性影响。图图3.12 带反馈电路的温敏晶体管电路带反馈电路的温敏晶体管电路)ln()ln(211221IIqkTAEAEIIqkTVbe温敏差分对管温敏差分对管 其核心思想是：其核心思想是：把两个温敏晶体管接成对管电把两个温敏晶体管接成对管电路，利用路，利用两管的发射结压降之差两管的发射结压降之差Vbe与温度与温度T保持保持线性关系：线性关系：图

44、图3.13 温敏晶体管对管电路温敏晶体管对管电路两个晶体管集电极电流之比两个晶体管集电极电流之比两个晶体管发射结面积之比两个晶体管发射结面积之比两个延伸思路两个延伸思路3.4 半导体集成温度传感器半导体集成温度传感器 集成温度传感器是集成温度传感器是把温敏二极管或晶体管和信把温敏二极管或晶体管和信号放大电路、调理电路及号放大电路、调理电路及A/D转换电路等制作在同一转换电路等制作在同一芯片上芯片上。 这种传感器的最大优点是，直接给出正比于热这种传感器的最大优点是，直接给出正比于热力学温度的理想线性输出，另外体积小、成本低廉、力学温度的理想线性输出，另外体积小、成本低廉、使用简便，可远距离测、控温，是现代半导体温度使用简便，可远距离测、控温，是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛应用传感器的主要发展方向之一