利用PN结Vf

利用PN结Vf-T特性测温曾刚杨宏春（电子科技大学物理电子学院成都610054）摘要：给出PN结正向压降随温度变化的关系，针对几种常用型号的双极型三极管进行了实测，在材料允许的温度范围内，恒定正向电流下，Vf与温度保持良好的线性关系并具有很好的灵敏度。文章并给出用PN结作传感器的数字化温度测控电路实例。关键词：PN结，温度传感器，测温中图分类号：TN美国在上世纪60年代提出利用半导体二极管和三极管作温度计的设想。利用Si三极管，美国研制成功了在－50℃～120℃范围，精度0.1℃，1000天温漂±0.02℃的精密温度计；利用GaAs二极管制成的温度计深入到1K的深低温；利用发光二极管芯片制成4－400K温区的温度计，分辨率1／100，25K以下相应时间小于1mS。80年代国内的一些科研单位也进行相关研究。中科院物理所对国产GaAs二极管低温性能进行调查，在4.2K附近灵敏度高于400mV/K，10K以下约300mV/K，复现性优于0.05K；北京机械工业自动化研究所发明的α——碳化硅PN结宽温区高线性度测温技术，制造出可以工作在500℃以上的高温半导体PN结温度传感器。现在PN结温度传感器正向着扩大测量范围、提高测量精度、提高互换性、数字化、集成化方向努力。一PN结Vf-T特性由PN结电流方程1/ppNnnPffkTqVeLDpLDnqAI（1）式中If正向电流；q电子电荷；A结面积；nP，pNP区中电子浓度和N区中空穴浓度；Dn,Dp电子和空穴的扩散系数；Ln，Lp电子和空穴的扩散长度；Vf为结正向压降；K玻耳兹曼常数；T绝对温度。（1）式中nP，pN可写成kTqVkTqVggeCTnpeCTpn/3NN/3PP11式中C为常数，与参杂无关；Vg为本征材料的禁带宽，代入（1），注意到爱因斯坦关系Dn=μnkT/q，nnnDLkTqVkTqVeeSTAI//2/7fgf1（2）其中2/1ppN2/1nnP2/111)(npkqCS式中μn、μp为电子和空穴的迁移率；τn、τp为非平衡载流子平均寿命。常温下（T=300K），q/KT≈26mV，而Vf26mV，略去（2）中的常数1，考虑到Vg也是随温度变化的量，Vg=Vg0+βT，Vg0为绝对零度时的禁带宽，β为对应的温度系数，将其代入（2）。两边取对数TqkTASIqkTVVln27lnfg0f（3）这就是Vf-T关系。当正向电流If恒定时，Vf-T非线性误差主要来自上式右侧第三项。由)ln1(27ddfTqkGTV（其中G为线性项贡献的灵敏度）及TTV1dd2f2可知，在实际测量范围内且If较小（10-4A）时，非线性项的影响不大，尤其当温度较高时。同时得知正向电流If小，灵敏度高，这也为实验所证实。温度很低时，杂质电离发生困难（此时所测得的压降将是结的正向压降和材料欧姆电阻压降之和），掺浅能级杂质有利于低温下的应用。温度很高时，本征激发明显，式（3）不再适用。根据本征激发载流子浓度)/(22/32/1igkTVqeTCn可知，在同样温度下，禁带宽越大的材料，本征激发的载流子浓度越低，说明在高温区有较宽的线性范围。常温下Ge的Eg=0.72eV，高温上限60℃，Si的Eg=1.12eV，高温上限250℃，GaAs的Eg=1.45eV，上限高于350℃。同时也说明，高温区的非线性主要来自反向电流的影响。二实验结果选择国产晶体管3DG6C、3DK2B、3DG182G、3DG202芯片及北京半导体六厂试制的PNT进行实测。实验装置：501型超级恒温器（精度1／15℃）；标准水银温度计（0～50℃，50～100℃，最大误差0.05℃）；61/2数字电压表（0.1mV）；校准的50/100/400μA电流表。结果数据见表。1连续32小时，间隔30分钟测量，T=64.3℃考察稳定性（见表一）表一型号If(μA)ΔIf(μA)ΔT(℃)Vf(mV)ΔVf(mV)3DG6C(1)48.0-0.10.175438.4+0.7–0.83DG6C(2)17.10-0.050.175148.6+0.5–1.13DK2B140.0-0.010.175747.3+0.3–0.52CP2360.00.000.143507.6+0.6–1.12．灵敏度考察摘取两组数据，计算对应测温区间的灵敏度αi列表(表二)，最后列给出灵敏度平均值ni(mV/℃)。表二灵敏度考察0.0-4.24.2-8.18.1-14.814.8-20.020.0-30.730.7-40.840.8-50.650.6-60.660.6-70.570.5-79.079.0-89.189.1-95.53DG610-2.21-2.23-2.22-2.26-2.28-2.25-2.26-2.29-2.30-2.30-2.31-2.31-2.27100-1.95-1.95-1.96-1.95-1.97-2.01-2.02-2.04-2.03-2.05-2.05-2.04-2.00300-1.92-1.92-1.94-1.95-1.96-1.97-1.95-1.95-1.96-1.97-2.00-2.00-1.953DG20210-2.33-2.34-2.34-2.37-2.36-2.38-2.38-2.37-2.39-2.41-2.41-2.42-2.37100-2.24-2.24-2.23-2.24-2.26-2.27-2.27-2.28-2.30-2.32-2.33-2.34-2.28300-2.04-2.05-2.05-2.06-2.06-2.07-2.10-2.12-2.14-2.15-2.15-2.16-2.103．非线性影响估计根据表二数据估计灵敏度的非线性（表三）。T(℃)If(μA)表三If(μA)(mV/℃)(mV/℃)TTIf(μA)(mV/℃)(mV/℃)TT3DG610-2.27-0.06+0.04-3%~+2%3DG20210-2.37-0.04+0.05-2%~+2%100-2.00-0.05+0.05-3%~+3%100-2.28-0.04+0.06-2%~+3%300-1.95-0.03+0.05-2%~+3%300-2.10-0.06+0.06-3%~+3%从数据得知，实验样品的非线性程度比理论分析要大，主要原因是实验精度（测量误差）影响，可占的40％。其他原因估计有：.非专门测温PN结设计；反向饱和电流影响（特别在温度较高时）；国产半导体生产工艺等。图一～图三分别给出3DG6C、3DK2B、2CP23的测量数据。T(℃)Vf(mV)图一3DG6C的Vf-T曲线T(℃)Vf(mV)图二3DK2B的Vf-T曲线Vf(mV)T(℃)图三2CP23的Vf-T曲线Q0~Q3DS2DS3DS4DUEOCD4~D7D0~D345044504PRER3×0.1×1-+-+abcdefgJ+VCC×10×10×1×10×1温度预置……℃℃加热源控制A2A1B1B2ABRSFFRSFF451345134513零点调节OP07OP07满度调节+VCC+VCCPNt451045104585458545084508MC14433EOCDUDS4DS3DS2Q0~Q3DZR1R2R4R5R6W1W2R7预置D0~D3预置D4~D7PRET1T2三一种温度测量电路图四给出的数字式温度测量电路采用PN结作传感器，可设定预置温度值。其数字I/O用于与μp的接口。电路说明三极管T1、T2、电阻R1和R2构成恒流源向PNt提供正向电流；两个运放OP07分别作隔离和放大。MC14433是31/2位BCD码输出AD转换器，其输出经4513译码驱动共阴LED显示。AD转换输出同时送4508锁存（两片4508同时锁存×1×10BCD码），以便与预置温度值比较。按钮S1、S2及两个RS触发器分别产生预置温度的×1和×10输入脉冲，由4510计数后通过4585与对应的AD输出值进行比较，比较的结果控制加热器电源。图五是该电路的数字I/O部分。测温BCD码及选通脉冲输出至（单片机的）外部接口；DU和EOC短接后的输出经倒相可作为中断请求信号。外部接口也可向控制电路输入D0~D3、D4~D7两路BCD码分别作个位和十位温度预置值，PRE为预置选通脉冲。参考文献张开逊，王向.PN结正向特性测温.物理,1980，Vol9(3)：213-217J.H.Snartz,J.R.Gaines.WideRangeThermometryUsingGallium.”Temperature,It’sMeasurementandControlinScienceandIndustryPart2”1972:1117-1124C.E.Davis,P.B.Coates.LinearizationofSiliconJunctionCharacteristicsforTemperaturemeasurement.JournalofPhysicsE:ScientificInstruments1977Vol10:613陈水桥.PN结正向压降特性的研究和应用，物理实验2000Vol20(7)：7-9通信地址成都建设北路二段4号电子科技大学物理电子学院610054电话（028）8320216113028188311图五图四