半導(dǎo)體傳感器2014-3課件

1、第三章第三章 半導(dǎo)體溫度傳感器半導(dǎo)體溫度傳感器3.1 半導(dǎo)體溫度傳感器的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體溫度傳感器的物理基礎(chǔ)3.2 半導(dǎo)體電阻式溫度傳感器半導(dǎo)體電阻式溫度傳感器3.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器3.4 半導(dǎo)體集成溫度傳感器半導(dǎo)體集成溫度傳感器n 半導(dǎo)體材料的熱敏效應(yīng)，主要體現(xiàn)在溫度對半導(dǎo)體材料的熱敏效應(yīng)，主要體現(xiàn)在溫度對半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響上，半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響上，材料的禁帶寬度、材料的禁帶寬度、載流子濃度載流子濃度和和載流子的遷移率載流子的遷移率是受溫度影響較大是受溫度影響較大的主要因素。的主要因素。n禁帶寬度受溫度的影響禁帶寬度受溫度的影響 一般而言，一般而言，隨

2、溫度的升高，半導(dǎo)體材料的禁隨溫度的升高，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度逐漸減小帶寬度逐漸減小，基本的關(guān)系式為：，基本的關(guān)系式為：3.1 半導(dǎo)體溫度傳感器的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體溫度傳感器的物理基礎(chǔ) TTEgTEg20n載流子濃度載流子濃度ni受溫度的影響受溫度的影響 以半導(dǎo)體材料的本征載流子濃度為例，二者之以半導(dǎo)體材料的本征載流子濃度為例，二者之間的關(guān)系可以用下式來表示：間的關(guān)系可以用下式來表示： 隨著溫度的升高，隨著溫度的升高，ni呈指數(shù)增大的趨勢呈指數(shù)增大的趨勢。n遷移率遷移率受溫度的影響受溫度的影響 根據(jù)散射理論，載流子的遷移率受多種因素的根據(jù)散射理論，載流子的遷移率受多種因素的影響，其中以影響，其中以電

3、離雜質(zhì)散射和晶格振動(dòng)散射為主，電離雜質(zhì)散射和晶格振動(dòng)散射為主，二者均受溫度的影響二者均受溫度的影響。)2exp(23kTEgTni n 利用半導(dǎo)體材料的熱敏效應(yīng)，可以制作成各種各利用半導(dǎo)體材料的熱敏效應(yīng)，可以制作成各種各樣的半導(dǎo)體溫度傳感器，在本章中我們主要學(xué)習(xí)半導(dǎo)樣的半導(dǎo)體溫度傳感器，在本章中我們主要學(xué)習(xí)半導(dǎo)體電阻式溫度傳感器（以半導(dǎo)體熱敏電阻）、半導(dǎo)體體電阻式溫度傳感器（以半導(dǎo)體熱敏電阻）、半導(dǎo)體pn結(jié)型溫度傳感器（溫敏二極管、溫敏三極管）以結(jié)型溫度傳感器（溫敏二極管、溫敏三極管）以及集成溫度傳感器的常見實(shí)例。及集成溫度傳感器的常見實(shí)例。電離雜質(zhì)散射：電離雜質(zhì)散射：231TNii聲學(xué)波散射

4、：聲學(xué)波散射：光學(xué)波散射：光學(xué)波散射：2/ 3 Ts1exp01Tkho幾種散射同時(shí)存在時(shí)幾種散射同時(shí)存在時(shí), ,有有: :.1111osin 電阻式溫度傳感器主要包括熱電阻（金屬，電阻式溫度傳感器主要包括熱電阻（金屬，如鉑、銅電阻溫度計(jì)等）和半導(dǎo)體熱敏電阻如鉑、銅電阻溫度計(jì)等）和半導(dǎo)體熱敏電阻。半。半導(dǎo)體熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不導(dǎo)體熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進(jìn)，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下（斷改進(jìn)，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下（-200880）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。傳感器。n一、半導(dǎo)體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)一、半導(dǎo)體熱敏電

5、阻的結(jié)構(gòu) 熱敏電阻結(jié)構(gòu)通常采用熱敏電阻結(jié)構(gòu)通常采用金屬氧化物材料金屬氧化物材料利用利用特殊的陶瓷工藝，制成特殊的陶瓷工藝，制成燒結(jié)體燒結(jié)體，外形及結(jié)構(gòu)如圖，外形及結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。所示。3.2 半導(dǎo)體電阻式溫度傳感器半導(dǎo)體電阻式溫度傳感器圖圖3.1 熱敏電阻外形及結(jié)構(gòu)示意圖熱敏電阻外形及結(jié)構(gòu)示意圖二、熱敏電阻的工作原理二、熱敏電阻的工作原理 半導(dǎo)體熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度半導(dǎo)體熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化而變化的性質(zhì)進(jìn)行溫度的檢測變化而變化的性質(zhì)進(jìn)行溫度的檢測。按熱敏電阻的阻。按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系不同可分為：值與溫度關(guān)系不同可分為：正溫度系數(shù)熱敏電阻正溫度系數(shù)熱

6、敏電阻（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（）、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和和臨界溫度臨界溫度熱敏電阻（熱敏電阻（CTR）。）。PTC的工作原理的工作原理(Positive Temperature Coefficient) PTC熱敏電阻通常采用鈦酸鹽（熱敏電阻通常采用鈦酸鹽（BaTiO3）系列）系列材料（摻雜后），其特點(diǎn)是在某一溫度材料（摻雜后），其特點(diǎn)是在某一溫度Tc（居里點(diǎn)）（居里點(diǎn)）附近，電阻率從負(fù)溫度系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎囟认禂?shù)，且電附近，電阻率從負(fù)溫度系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎囟认禂?shù)，且電阻率急劇增大阻率急劇增大37個(gè)數(shù)量級(jí)，可作溫度開關(guān)使用，居個(gè)數(shù)量級(jí)，可作溫度開關(guān)使用，居里點(diǎn)可通過摻雜來控制。里點(diǎn)可通

7、過摻雜來控制。 PTC熱敏半導(dǎo)體具有多晶結(jié)構(gòu)，各晶粒內(nèi)部為熱敏半導(dǎo)體具有多晶結(jié)構(gòu)，各晶粒內(nèi)部為半導(dǎo)電性區(qū)，晶界為高阻層區(qū)，外加電壓時(shí)，電壓半導(dǎo)電性區(qū)，晶界為高阻層區(qū)，外加電壓時(shí)，電壓大部分落在高阻的晶界層上，因而電子通過晶界的大部分落在高阻的晶界層上，因而電子通過晶界的難易程度將對材料的導(dǎo)電性能起主要作用，可以利難易程度將對材料的導(dǎo)電性能起主要作用，可以利用用晶界勢壘模型晶界勢壘模型來解釋來解釋PTC材料的材料的工作原理工作原理： 把晶界看成存在一個(gè)電子勢壘，當(dāng)溫度在居里把晶界看成存在一個(gè)電子勢壘，當(dāng)溫度在居里點(diǎn)以下時(shí)，高阻的晶界具有較大的介電常數(shù)，勢壘點(diǎn)以下時(shí)，高阻的晶界具有較大的介電常數(shù)，

8、勢壘高度很小，電子很容易越過勢壘，材料的電阻率??；高度很小，電子很容易越過勢壘，材料的電阻率?。划?dāng)溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，晶格的介電常數(shù)急劇減小，當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，晶格的介電常數(shù)急劇減小，勢壘隨之急劇增高，因而電子難以越過勢壘，相應(yīng)勢壘隨之急劇增高，因而電子難以越過勢壘，相應(yīng)材料的電阻率上升，表現(xiàn)出正溫度系數(shù)。材料的電阻率上升，表現(xiàn)出正溫度系數(shù)。NTC的工作原理的工作原理(Negative Temperature Coefficient) NTC熱敏電阻大多數(shù)是由一些熱敏電阻大多數(shù)是由一些過渡金屬氧化物過渡金屬氧化物（主要用（主要用Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）在一定的燒結(jié)條等氧化物）在一定的燒

9、結(jié)條件下形成半導(dǎo)體金屬氧化物作為基體材料，它們常具有件下形成半導(dǎo)體金屬氧化物作為基體材料，它們常具有P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體的特性。在溫度測量中，主要采用的特性。在溫度測量中，主要采用NTC材料。材料。 工作原理工作原理：對于具有：對于具有P型半導(dǎo)體性質(zhì)的型半導(dǎo)體性質(zhì)的NTC材料，材料，在室溫范圍內(nèi)可看作已全部電離，載流子濃度基本與溫在室溫范圍內(nèi)可看作已全部電離，載流子濃度基本與溫度無關(guān)，主要考慮度無關(guān)，主要考慮遷移率與溫度的關(guān)系遷移率與溫度的關(guān)系，而遷移率隨著，而遷移率隨著溫度的升高逐漸增大，使材料的電阻率逐漸減小，表現(xiàn)溫度的升高逐漸增大，使材料的電阻率逐漸減小，表現(xiàn)為負(fù)的溫度系數(shù)。為負(fù)的溫度系數(shù)

10、。)exp(0kTE)exp(0kTERRTTnCTR熱敏電阻熱敏電阻(Critical Temperature Resistor) CTR熱敏電阻可以看做是熱敏電阻可以看做是NTC的特例，的特例，可用可用V、Ba、Sr、P等氧化物混合燒結(jié)制成等氧化物混合燒結(jié)制成。該類電阻器的。該類電阻器的電阻值在某特定溫度處隨溫度升高而急劇降低電阻值在某特定溫度處隨溫度升高而急劇降低34個(gè)數(shù)量級(jí)，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)，這個(gè)急劇變化個(gè)數(shù)量級(jí)，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)，這個(gè)急劇變化的溫度我們稱為的溫度我們稱為驟變溫度驟變溫度。CTR熱敏電阻也可作為熱敏電阻也可作為溫度開關(guān)使用。溫度開關(guān)使用。 CTR熱敏電阻的溫度變

11、化時(shí)，氧化物的晶格結(jié)熱敏電阻的溫度變化時(shí)，氧化物的晶格結(jié)構(gòu)和組份常常有很大的變化構(gòu)和組份常常有很大的變化，使其電阻率有大幅度，使其電阻率有大幅度的降低。的降低。熱敏電阻的溫度特性（熱敏電阻的溫度特性（R RT TT T） 1234060120 1600100101102103104105106RT/溫度T/C圖圖3.2 熱敏電阻的電阻熱敏電阻的電阻-溫度特性溫度特性曲線曲線1- -NTC；2- -CTR； 3- - PTC三、熱敏電阻器主要特性三、熱敏電阻器主要特性 正電阻溫度系數(shù)（正電阻溫度系數(shù)（PTCPTC）熱敏電阻的溫度特性：）熱敏電阻的溫度特性：其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點(diǎn)附近

12、結(jié)構(gòu)其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，典型特性曲線發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，典型特性曲線如下圖。如下圖。10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2圖圖3.2 PTC熱敏電阻器的電阻熱敏電阻器的電阻溫度曲線溫度曲線T/C電阻/Tp1Tp2Tc=175 CPTC熱敏電阻熱敏電阻的特點(diǎn)之一是的特點(diǎn)之一是它的居里點(diǎn)可它的居里點(diǎn)可以通過摻雜來以通過摻雜來控制?？刂?。 PTC熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)兩端，電阻兩端，電阻溫度曲線上有溫度曲線上有兩個(gè)拐點(diǎn)

13、：兩個(gè)拐點(diǎn)：Tp1和和Tp2。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻電阻器的電阻溫度特性可近似用下面的實(shí)驗(yàn)公式溫度特性可近似用下面的實(shí)驗(yàn)公式表示：表示：式中式中 RT、RT0溫度分別為溫度分別為T、T0時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值； BP正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù)。正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù)。若對上式取對數(shù)，則得：若對上式取對數(shù)，則得：0exp0TTBRRPTT0lnln0TPTRTTBR以以lnRT、T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖。分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖。可見：可見： 正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)正溫度系

14、數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)tp ，正好等于它的材料常數(shù)，正好等于它的材料常數(shù)BP的值。的值。 lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mr圖圖3.3 lnRTT 表示的表示的PTC熱敏電阻器電阻熱敏電阻器電阻溫度曲線溫度曲線lnRrTPPTPTPTTtpBTTBRTTBRBdTdRR00expexp100對上式微分，可得對上式微分，可得PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)tpRT、RT0溫度為溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值；時(shí)熱敏電阻器的電阻值； BN NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。熱敏電阻的材料常數(shù)。由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體由

15、測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的材料制成的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于于450），都能利用該式，它僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。），都能利用該式，它僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。 負(fù)電阻溫度系數(shù)負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)(NTC)熱敏電阻的溫度特性熱敏電阻的溫度特性011exp0TTBRRNTTNTC的電阻的電阻溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：0ln11ln0TNTRTTBR如果以如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率為式是一條斜率為BN ，通過點(diǎn)，通過點(diǎn)(1/T，lnRT

16、)的一條直的一條直線線,如圖如圖3.4。105104103102 0 -101030507085100120T/C電阻/圖圖3.4 NTC熱敏電阻器的電阻熱敏電阻器的電阻-溫度曲線溫度曲線材料的不同或配方的比例和方法不同，則材料的不同或配方的比例和方法不同，則BN也不也不同。同。用用lnRT1/T表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻溫度特性，在實(shí)際應(yīng)用中比較方便溫度特性，在實(shí)際應(yīng)用中比較方便。為了使用方便，常取環(huán)境溫度為為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25作為參考溫度作為參考溫度（即（即T0=25），則），則NTC熱敏電阻器的電阻熱敏電阻器的電阻溫度溫度關(guān)系式：關(guān)系式：29811e

17、xp25TBRRNTRT/R25BN關(guān)系如下表關(guān)系如下表02550751001250.511.522.533.5(25C,1)圖圖3.5 RT / RT0-T特性曲線特性曲線RT/R25T表表3.1 RTR25BN系數(shù)表系數(shù)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圖圖3.6NTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性熱敏電阻器的伏安特性（熱敏電阻器的伏安特性（U UI I）負(fù)溫度系數(shù)（負(fù)溫度系數(shù)（NTCNTC）熱敏電

19、阻器的伏安特性）熱敏電阻器的伏安特性該曲線是在環(huán)境溫度為該曲線是在環(huán)境溫度為T0時(shí)的靜態(tài)介質(zhì)中測出時(shí)的靜態(tài)介質(zhì)中測出的靜態(tài)的靜態(tài)UI曲線。曲線。O從圖中看出，隨著電阻從圖中看出，隨著電阻兩端電壓電流的增大，兩端電壓電流的增大，NTC的伏安特性曲線發(fā)的伏安特性曲線發(fā)生了變化，并且出現(xiàn)負(fù)生了變化，并且出現(xiàn)負(fù)阻區(qū)。阻區(qū)。熱敏電阻的自熱熱敏電阻的自熱有可能引起測量誤差有可能引起測量誤差。 NTC熱敏電阻的伏安特性曲線可以這樣理解熱敏電阻的伏安特性曲線可以這樣理解： 在開始在開始o(jì)a段與普通電阻一樣服從歐姆定律，段與普通電阻一樣服從歐姆定律，表現(xiàn)為直線；隨著電流增加，引起熱敏電阻自熱表現(xiàn)為直線；隨著電流

20、增加，引起熱敏電阻自熱溫升超過環(huán)境溫度，熱敏電阻的阻值下降，耗散溫升超過環(huán)境溫度，熱敏電阻的阻值下降，耗散功率增加，相應(yīng)電壓變化的較為緩慢，因此出現(xiàn)功率增加，相應(yīng)電壓變化的較為緩慢，因此出現(xiàn)非線性正阻區(qū)非線性正阻區(qū)ab段；當(dāng)電流繼續(xù)增加，其電壓值段；當(dāng)電流繼續(xù)增加，其電壓值達(dá)到最大達(dá)到最大Um時(shí)，若電流繼續(xù)增加，熱敏電阻自身時(shí)，若電流繼續(xù)增加，熱敏電阻自身加溫劇烈，使電阻值減小的速度超過電流增加速加溫劇烈，使電阻值減小的速度超過電流增加速度，因此熱敏電阻的電壓降隨電流的增加反而降度，因此熱敏電阻的電壓降隨電流的增加反而降低，形成低，形成bcd段的負(fù)阻區(qū)。而當(dāng)電流超過某一允段的負(fù)阻區(qū)。而當(dāng)電流超

21、過某一允許值時(shí)，熱敏電阻將被燒壞。許值時(shí)，熱敏電阻將被燒壞。 曲線的起始段為直線，其斜率與熱敏電阻器在曲線的起始段為直線，其斜率與熱敏電阻器在環(huán)境溫度下的電阻值相等。這是因?yàn)榱鬟^電阻器電環(huán)境溫度下的電阻值相等。這是因?yàn)榱鬟^電阻器電流很小時(shí)，耗散功率引起的溫升可以忽略不計(jì)的緣流很小時(shí)，耗散功率引起的溫升可以忽略不計(jì)的緣故，符合歐姆定律如故，符合歐姆定律如oa段。當(dāng)電壓升高使熱敏電阻段。當(dāng)電壓升高使熱敏電阻器溫度超過環(huán)境溫度時(shí)，由于器溫度超過環(huán)境溫度時(shí)，由于PTC效應(yīng)材料電阻值效應(yīng)材料電阻值逐漸增大，曲線開始彎曲斜率增大，如逐漸增大，曲線開始彎曲斜率增大，如ab段。段。 1041031021011

22、05Um10110210310010-1Im圖圖3.7 PTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性正溫度系數(shù)（正溫度系數(shù)（PTCPTC）熱敏電阻器的伏安特性）熱敏電阻器的伏安特性當(dāng)電壓增至當(dāng)電壓增至Um時(shí)，電時(shí)，電流達(dá)最大值流達(dá)最大值Im；電壓繼；電壓繼續(xù)增加，由于溫升引起續(xù)增加，由于溫升引起電阻值增加的速度超過電阻值增加的速度超過電壓增加的速度，電流電壓增加的速度，電流反而減小，即曲線斜率反而減小，即曲線斜率由正變負(fù)，如由正變負(fù)，如bc段。段。 abco 標(biāo)稱電阻標(biāo)稱電阻R R2525（冷阻）（冷阻）標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在25250.20.2時(shí)的阻值。時(shí)的阻

23、值。 3 3、熱敏電阻的基本參數(shù)、熱敏電阻的基本參數(shù) 材料常數(shù)材料常數(shù)B BN N是表征負(fù)溫度系數(shù)是表征負(fù)溫度系數(shù)(NTC)(NTC)熱敏電阻器材料的物理特性熱敏電阻器材料的物理特性常數(shù)。常數(shù)。B BN N值決定于材料的激活能值決定于材料的激活能E E, ,具有具有B BN N= =E E2 2k k的的函數(shù)關(guān)系，式中函數(shù)關(guān)系，式中k k為波爾茲曼常數(shù)。一般為波爾茲曼常數(shù)。一般B BN N值越大，值越大，則電阻值越大，絕對靈敏度越高。在工作溫度范圍則電阻值越大，絕對靈敏度越高。在工作溫度范圍內(nèi)，內(nèi)，B BN N值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度的升高略有增值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度的升高略有增加的

24、。加的。 電阻溫度系數(shù)（電阻溫度系數(shù)（%/%/）熱敏電阻的溫度變化熱敏電阻的溫度變化1 1 時(shí)電阻值的變化率。時(shí)電阻值的變化率。 耗散系數(shù)耗散系數(shù)H H熱敏電阻器溫度變化熱敏電阻器溫度變化11所耗散的功率變化量。在工所耗散的功率變化量。在工作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí), ,H H值隨之變化值隨之變化, ,其大小其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān)。有關(guān)。 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的電阻器的溫度

25、變化量從開始到最終變量的63.263.2所需所需的時(shí)間。它與熱容量的時(shí)間。它與熱容量C C和耗散系數(shù)和耗散系數(shù)H H之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：HC 最高工作溫度最高工作溫度T Tmaxmax熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度：許的最高溫度：T T0 0環(huán)境溫度；環(huán)境溫度；P PE E環(huán)境溫度為環(huán)境溫度為T T0 0時(shí)的額定功率；時(shí)的額定功率；H H耗散系數(shù)耗散系數(shù) 最低工作溫度最低工作溫度T Tminmin熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的最低溫度。最低溫度。 轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)

26、溫度T Tc c熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度，熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度，主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻。阻。HPTTE0max 額定功率額定功率P PE E熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負(fù)荷工作所熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負(fù)荷工作所允許的消耗功率。在此功率下允許的消耗功率。在此功率下, ,它自身溫度不應(yīng)超過它自身溫度不應(yīng)超過T Tmaxmax。 測量功率測量功率P P0 0熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下, ,受到測量電流加熱受到測量電流加熱而引起的電阻值變化不超過而

27、引起的電阻值變化不超過0.10.1時(shí)所消耗的功率時(shí)所消耗的功率 工作點(diǎn)電阻工作點(diǎn)電阻R RG G在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率后使電阻器自熱而達(dá)到某一給定的電阻值。后使電阻器自熱而達(dá)到某一給定的電阻值。 tnHP10000 工作點(diǎn)耗散功率工作點(diǎn)耗散功率P PG G電阻值達(dá)到電阻值達(dá)到R RG G時(shí)所消耗的功率：時(shí)所消耗的功率：U UG G電阻器達(dá)到熱平衡時(shí)的端電壓。電阻器達(dá)到熱平衡時(shí)的端電壓。GGGRUP2 功率靈敏度功率靈敏度K KG G熱敏電阻器在工作點(diǎn)附近消耗功率熱敏電阻器在工作點(diǎn)附近消耗功率lmWlmW時(shí)所引起電阻時(shí)所引起電阻的

28、變化，即：的變化，即：在工作范圍內(nèi)，在工作范圍內(nèi)，K KG G隨環(huán)境溫度的變化略有改變。隨環(huán)境溫度的變化略有改變。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性熱敏電阻在各種氣候、機(jī)械、電氣等使用環(huán)境中，保熱敏電阻在各種氣候、機(jī)械、電氣等使用環(huán)境中，保持原有特性的能力。它可用熱敏電阻器的主要參數(shù)變持原有特性的能力。它可用熱敏電阻器的主要參數(shù)變化率來表示。最常用的是以電阻值的年變化率或?qū)?yīng)化率來表示。最常用的是以電阻值的年變化率或?qū)?yīng)的溫度變化率來表示。的溫度變化率來表示。 KGR/P 熱電阻值熱電阻值R RH H指旁熱式熱敏電阻器在加熱器上通過給定的工作電流指旁熱式熱敏電阻器在加熱器上通過給定的工作電流時(shí)時(shí), ,電阻器達(dá)到熱

29、平衡狀態(tài)時(shí)的電阻值。電阻器達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的電阻值。 加熱器電阻值加熱器電阻值RrRr指旁熱式熱敏電阻器的加熱器，在規(guī)定環(huán)境溫度條件指旁熱式熱敏電阻器的加熱器，在規(guī)定環(huán)境溫度條件下的電阻值。下的電阻值。 最大加熱電流最大加熱電流I Imaxmax指旁熱式熱敏電阻器上允許通過的最大電流。指旁熱式熱敏電阻器上允許通過的最大電流。 標(biāo)稱工作電流標(biāo)稱工作電流I I指在環(huán)境溫度指在環(huán)境溫度2525時(shí)，旁熱式熱敏電阻器的電阻值被時(shí)，旁熱式熱敏電阻器的電阻值被穩(wěn)定在某一規(guī)定值時(shí)加熱器內(nèi)的電流。穩(wěn)定在某一規(guī)定值時(shí)加熱器內(nèi)的電流。 標(biāo)稱電壓標(biāo)稱電壓 它是穩(wěn)壓熱敏電阻器在規(guī)定溫度下標(biāo)稱工作它是穩(wěn)壓熱敏電阻器在規(guī)定

30、溫度下標(biāo)稱工作電流所對應(yīng)的電壓值。電流所對應(yīng)的電壓值。 元件尺寸元件尺寸指熱敏電阻器的截面積指熱敏電阻器的截面積A A、電極間距離、電極間距離L L和直徑和直徑d d。 以以NTCNTC為溫度傳感器的測溫電路為溫度傳感器的測溫電路 圖圖3.8 熱敏電阻測溫電路熱敏電阻測溫電路四、熱敏電阻器應(yīng)用電路四、熱敏電阻器應(yīng)用電路AB電路測溫原理：電路測溫原理： 測量前調(diào)零，放大器輸出電壓恰好使表頭指向測量前調(diào)零，放大器輸出電壓恰好使表頭指向標(biāo)準(zhǔn)溫度值。當(dāng)被測溫度升高時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)溫度值。當(dāng)被測溫度升高時(shí)，RTRT減小，節(jié)點(diǎn)減小，節(jié)點(diǎn)A A處處電位降低，運(yùn)放輸出電壓升高，表頭指針偏轉(zhuǎn)角度電位降低，運(yùn)放輸出電壓升

31、高，表頭指針偏轉(zhuǎn)角度增大，指示較高的溫度；增大，指示較高的溫度； 當(dāng)被測溫度降低時(shí)，節(jié)點(diǎn)當(dāng)被測溫度降低時(shí)，節(jié)點(diǎn)A A處電位升高，運(yùn)放處電位升高，運(yùn)放輸出電壓降低，表頭指針偏轉(zhuǎn)角度減小，指示較低輸出電壓降低，表頭指針偏轉(zhuǎn)角度減小，指示較低的溫度。的溫度。2.2.溫度上下限報(bào)警電路溫度上下限報(bào)警電路 圖圖3.9 溫度上下限報(bào)警電路溫度上下限報(bào)警電路電路測溫原理：電路測溫原理： 當(dāng)當(dāng)R RT T減小使減小使V Va aVVb b達(dá)到臨界時(shí)，比較器輸出高電達(dá)到臨界時(shí)，比較器輸出高電壓，壓，VTVT1 1導(dǎo)通，導(dǎo)通，LEDLED1 1發(fā)光報(bào)警；發(fā)光報(bào)警； 當(dāng)當(dāng)R RT T增大使增大使V Va aVVb

32、b達(dá)到臨界時(shí)，比較器輸出低電達(dá)到臨界時(shí)，比較器輸出低電壓，壓，VTVT2 2導(dǎo)通，導(dǎo)通，LEDLED2 2發(fā)光報(bào)警。發(fā)光報(bào)警。3.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器 半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器主要利用半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器主要利用pn結(jié)的電流電結(jié)的電流電壓特性與溫度之間的關(guān)系壓特性與溫度之間的關(guān)系作為理論基礎(chǔ)，我們以作為理論基礎(chǔ)，我們以溫溫敏二極管和溫敏晶體管敏二極管和溫敏晶體管為例，來研究結(jié)型溫度傳感為例，來研究結(jié)型溫度傳感器的一般性能。器的一般性能。在結(jié)構(gòu)上，在結(jié)構(gòu)上，PN結(jié)型溫度傳感器器件結(jié)型溫度傳感器器件和普通的二極管、三極管沒有太大區(qū)別和普通的二極管、三極管沒有太大區(qū)別。 3.

33、3.1 半導(dǎo)體溫敏二極管半導(dǎo)體溫敏二極管 一、溫敏二極管的工作原理一、溫敏二極管的工作原理 二極管溫度傳感器是利用正向壓降與溫度的關(guān)二極管溫度傳感器是利用正向壓降與溫度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)溫系實(shí)現(xiàn)溫-電轉(zhuǎn)換的，其工作原理可簡單描述為：電轉(zhuǎn)換的，其工作原理可簡單描述為：溫溫敏二極管正向偏置時(shí)，正向電流敏二極管正向偏置時(shí)，正向電流If保持恒定，正向壓保持恒定，正向壓降降Vf隨著溫度隨著溫度T的升高而減小的升高而減小。 對于理想的對于理想的pn結(jié)，其電流電壓方程為：結(jié)，其電流電壓方程為： 在正向偏壓下，一般都有在正向偏壓下，一般都有 因此因此 1exp1exp)(000000TkqVJJLpqDLnqDJTk

34、qVLpqDLnqDxJxJJspnpnpnspnpnpnnppn則令TkqVJJs0exp,/qkTVF 我們把我們把JS中與溫度有關(guān)的項(xiàng)單獨(dú)寫出，其他與溫度無中與溫度有關(guān)的項(xiàng)單獨(dú)寫出，其他與溫度無關(guān)的因素用常數(shù)關(guān)的因素用常數(shù)B來表示，整理之后的關(guān)系為：來表示，整理之后的關(guān)系為： 從而得到壓降與溫度之間的關(guān)系為：從而得到壓降與溫度之間的關(guān)系為： 該式直接反映了二極管的正向電壓與溫度之間關(guān)系，該式直接反映了二極管的正向電壓與溫度之間關(guān)系， 若若If一定，一定，Vf隨溫度隨溫度T的升高而減小，呈負(fù)溫度特性。的升高而減小，呈負(fù)溫度特性。EgEg 為了討論問題的方便，設(shè)已知溫度為了討論問題的方便，設(shè)

35、已知溫度T1下工作電下工作電流為流為If1，正向壓降為，正向壓降為Vf1，可得正向壓降與溫度之間，可得正向壓降與溫度之間的另一種表達(dá)方式：的另一種表達(dá)方式： 二、溫敏二極管的特性二、溫敏二極管的特性 非線性的影響非線性的影響 從壓降與溫度之間的關(guān)系可以看出，當(dāng)溫敏二極從壓降與溫度之間的關(guān)系可以看出，當(dāng)溫敏二極管的電流管的電流If正比于絕對溫度正比于絕對溫度T的的次冪時(shí)，次冪時(shí)，Vf與與T之間之間才會(huì)出現(xiàn)真正的線性關(guān)系。并且，我們在考慮正向才會(huì)出現(xiàn)真正的線性關(guān)系。并且，我們在考慮正向電流電壓特性的時(shí)候，只考慮了擴(kuò)散電流，而實(shí)際電流電壓特性的時(shí)候，只考慮了擴(kuò)散電流，而實(shí)際的正向電流中還包括了勢壘區(qū)

36、復(fù)合電流等因素，會(huì)的正向電流中還包括了勢壘區(qū)復(fù)合電流等因素，會(huì)更加復(fù)雜。更加復(fù)雜。)()ln()(1111fffggfIITTqkTTTVVVV 溫敏差分對管的核心思溫敏差分對管的核心思想想，是選擇兩個(gè)參數(shù)一樣的，是選擇兩個(gè)參數(shù)一樣的溫敏二極管同時(shí)測量溫度溫敏二極管同時(shí)測量溫度T，給它們提供不同的兩個(gè)工作給它們提供不同的兩個(gè)工作電流電流If1、 If2，兩個(gè)管子的電，兩個(gè)管子的電壓差壓差 Vf與溫度之間的關(guān)系與溫度之間的關(guān)系為：為： 可見，可見，只要兩個(gè)管子的只要兩個(gè)管子的電流比值恒定，則電壓差與電流比值恒定，則電壓差與溫度溫度T之間呈現(xiàn)良好的線性之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系關(guān)系，優(yōu)于單管。，優(yōu)于單

37、管。 為了提高溫敏二極管的線性度，我們可以將溫為了提高溫敏二極管的線性度，我們可以將溫敏二極管組合成敏二極管組合成溫敏差分對管電路溫敏差分對管電路的形式。的形式。3.10 3.10 溫敏二極管的差分溫敏二極管的差分對管電路對管電路線性測量范圍線性測量范圍存在高、低溫特性存在高、低溫特性圖圖3.11 溫敏二極管的溫敏二極管的Vf-T關(guān)系曲線關(guān)系曲線 溫敏二極管溫敏二極管Vf-T的近線性關(guān)系只能保持在一定的近線性關(guān)系只能保持在一定溫度范圍內(nèi)，如圖所示溫度范圍內(nèi)，如圖所示。當(dāng)溫度升高或降低到一定當(dāng)溫度升高或降低到一定值時(shí)，材料載流子濃度發(fā)生突變，導(dǎo)致半導(dǎo)體的電值時(shí)，材料載流子濃度發(fā)生突變，導(dǎo)致半導(dǎo)體

38、的電阻率發(fā)生很大變化，線性關(guān)系會(huì)偏離阻率發(fā)生很大變化，線性關(guān)系會(huì)偏離。低溫特性：低溫特性：在工作電流恒定的情況下，若溫度下降在工作電流恒定的情況下，若溫度下降到一定程度，到一定程度， Vf將急劇增加。這是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)出將急劇增加。這是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)出現(xiàn)了現(xiàn)了“凍析效應(yīng)凍析效應(yīng)”， 即低溫時(shí)只有少量雜質(zhì)電離提即低溫時(shí)只有少量雜質(zhì)電離提供載流子，溫度越低則電離率越低，相當(dāng)于更多的供載流子，溫度越低則電離率越低，相當(dāng)于更多的載流子被從導(dǎo)帶或價(jià)帶載流子被從導(dǎo)帶或價(jià)帶“凍析凍析”出去，回到雜質(zhì)能出去，回到雜質(zhì)能級(jí)上，中性雜質(zhì)原子的數(shù)量隨著溫度降低而增加，級(jí)上，中性雜質(zhì)原子的數(shù)量隨著溫度降低而增加，半導(dǎo)體材

39、料的電阻率增加。半導(dǎo)體材料的電阻率增加。 二極管測得的壓降二極管測得的壓降Vf包含兩部分包含兩部分半導(dǎo)體材半導(dǎo)體材料電阻壓降料電阻壓降VR和和pn結(jié)上壓降結(jié)上壓降Vj 。在低溫時(shí)，由于。在低溫時(shí)，由于材料電阻率增大，使半導(dǎo)體材料電阻上的壓降材料電阻率增大，使半導(dǎo)體材料電阻上的壓降VR急急劇增大，所以二極管壓降也增大，曲線在低溫區(qū)發(fā)劇增大，所以二極管壓降也增大，曲線在低溫區(qū)發(fā)生突變。生突變。而突變點(diǎn)的溫度大小主要取決于半導(dǎo)體材而突變點(diǎn)的溫度大小主要取決于半導(dǎo)體材料的種類以及雜質(zhì)的電離能，電離能越低，突變點(diǎn)料的種類以及雜質(zhì)的電離能，電離能越低，突變點(diǎn)的溫度越低。的溫度越低。高溫特性：高溫特性：高溫

40、時(shí)，電子的高溫時(shí)，電子的本征激發(fā)本征激發(fā)起主導(dǎo)作用，起主導(dǎo)作用，隨著本征激發(fā)的增加，隨著本征激發(fā)的增加，pn結(jié)正向壓降隨著溫度的增結(jié)正向壓降隨著溫度的增加將變化得非常緩慢，電流電壓關(guān)系不再成立，造加將變化得非常緩慢，電流電壓關(guān)系不再成立，造成新的非線性。成新的非線性。 禁帶寬度大的材料做成禁帶寬度大的材料做成pn結(jié)溫度傳感器，在高結(jié)溫度傳感器，在高溫區(qū)能獲得比較寬的線性范圍溫區(qū)能獲得比較寬的線性范圍，這是因?yàn)榻麕挾?，這是因?yàn)榻麕挾仍酱蟮牟牧媳菊骷ぐl(fā)載流子濃度越低。越大的材料本征激發(fā)載流子濃度越低。)2exp(23kTEgTni 3.3.2 溫敏晶體管（溫敏三極管）溫敏晶體管（溫敏三極管）

41、一、溫敏晶體管的工作原理一、溫敏晶體管的工作原理 二極管作為溫敏器件是利用二極管作為溫敏器件是利用pn結(jié)在恒定正向電結(jié)在恒定正向電流下，其正向電壓與溫度之間的近線性關(guān)系來實(shí)現(xiàn)流下，其正向電壓與溫度之間的近線性關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的，而采用溫敏，則考慮的是的，而采用溫敏，則考慮的是在三極管導(dǎo)通情況下，在三極管導(dǎo)通情況下，集電極電流集電極電流I IC和發(fā)射結(jié)正向壓降和發(fā)射結(jié)正向壓降Vbe之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 若溫敏晶體管的集電極電流若溫敏晶體管的集電極電流IC是常數(shù)時(shí)，發(fā)射是常數(shù)時(shí)，發(fā)射結(jié)壓降結(jié)壓降Vbe與溫度與溫度T之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為： 設(shè)在某已知溫度下測得的設(shè)在某已知溫度下測得的Vbe和和Ic

42、值分別為值分別為Vbe1和和Ic1，又得到溫敏晶體管又得到溫敏晶體管Vbe -T的第二種表達(dá)方式：的第二種表達(dá)方式： 當(dāng)當(dāng)IC恒定時(shí)，第三項(xiàng)遠(yuǎn)小于第二項(xiàng)，即恒定時(shí)，第三項(xiàng)遠(yuǎn)小于第二項(xiàng)，即Vbe隨溫度的隨溫度的升高近似線性地減小，呈負(fù)溫度特性。升高近似線性地減小，呈負(fù)溫度特性。 溫敏晶體管的工作原理溫敏晶體管的工作原理可簡單描述為：可簡單描述為：當(dāng)三極管導(dǎo)通當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，集電極電流時(shí)，集電極電流IC恒定時(shí)，發(fā)射結(jié)壓降恒定時(shí)，發(fā)射結(jié)壓降Vbe隨溫度隨溫度T的的升高而減小。升高而減小。)()ln()(1111ffbeggbeIITTqkTTTVVVV二、溫敏晶體管特性二、溫敏晶體管特性線性化線性化

43、帶反饋電路的溫敏晶體管帶反饋電路的溫敏晶體管 其核心思想是：其核心思想是：利用反饋電路向溫敏晶體管輸利用反饋電路向溫敏晶體管輸入與溫度入與溫度T的的次冪保持相關(guān)的集電極電流次冪保持相關(guān)的集電極電流IC，盡量，盡量減小第三項(xiàng)的非線性影響。減小第三項(xiàng)的非線性影響。圖圖3.12 帶反饋電路的溫敏晶體管電路帶反饋電路的溫敏晶體管電路)ln()ln(211221IIqkTAEAEIIqkTVbe溫敏差分對管溫敏差分對管 其核心思想是：其核心思想是：把兩個(gè)溫敏晶體管接成對管電把兩個(gè)溫敏晶體管接成對管電路，利用路，利用兩管的發(fā)射結(jié)壓降之差兩管的發(fā)射結(jié)壓降之差Vbe與溫度與溫度T保持保持線性關(guān)系：線性關(guān)系：圖

44、圖3.13 溫敏晶體管對管電路溫敏晶體管對管電路兩個(gè)晶體管集電極電流之比兩個(gè)晶體管集電極電流之比兩個(gè)晶體管發(fā)射結(jié)面積之比兩個(gè)晶體管發(fā)射結(jié)面積之比兩個(gè)延伸思路兩個(gè)延伸思路3.4 半導(dǎo)體集成溫度傳感器半導(dǎo)體集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是集成溫度傳感器是把溫敏二極管或晶體管和信把溫敏二極管或晶體管和信號(hào)放大電路、調(diào)理電路及號(hào)放大電路、調(diào)理電路及A/D轉(zhuǎn)換電路等制作在同一轉(zhuǎn)換電路等制作在同一芯片上芯片上。 這種傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是，直接給出正比于熱這種傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是，直接給出正比于熱力學(xué)溫度的理想線性輸出，另外體積小、成本低廉、力學(xué)溫度的理想線性輸出，另外體積小、成本低廉、使用簡便，可遠(yuǎn)距離測、控溫，是現(xiàn)代半導(dǎo)體溫度使用簡便，可遠(yuǎn)距離測、控溫，是現(xiàn)代半導(dǎo)體溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一。目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用傳感器的主要發(fā)展方向之一