PN结正向压降温度特性的研究和应用

物理实验第２０卷第７期

７

ＰＮ结正向压降温度特性的研究和应用’

陈水桥

（浙江大学物理系杭州３１００２７）

摘

要

分析了ＰＮ结正向压降的温度特性，并通过对硅材料二极管的测定，使学生对ＰＮ结温度传感器有所了解．

关缝词ＰＮ结温度传感器

早在６０年代初，人们就以极大的兴趣尝试利用ＰＮ结正向压降随温度升高而降低的特性将ＰＮ结作为测温元件，但由于当时ＰＮ结的参数不稳定，始终未能进入实用阶段．随着半导体器件工艺水平的提高以及人们不断的探索，到了７０年代末，ＰＮ结以及在此基础上发展起来的晶体管温度传感器，已成为一种新的测温技术，话跃在各个应用领域．

这就是ＰＮ结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是ＰＮ结温度传感器的基本方程．令矗＝常数，则正向压降只随温度丙变化．但是在方程（３）中，除线性项ｙｔ外还包含非线性项ｙｄ．下面分析ｙ“项所引起的线性误差．

设温度由丁，变为丁时，正向压降由ｙｒ。变

为ｎ，将丁。代入（３）式得¨。，由ｎ。表达式

解出鲁ｌｎ（石Ｃ），代入（３）式可得

１

实验原理

对于一个理想的ＰＮ结，其正向电流矗和

ＶＦ＝Ｖｓ（。）一［ｙ。（。）一ｙ，，）亍Ｔ：一ｋ口Ｔ１ｎ（丢）７

（４）

压降坼存在如下近似关系

按理想的线性温度响应，Ｖ，应取如下形式

Ｉ，＝Ｉｓｅｘｐ（喾）

㈨

其中ｑ为电子电荷，志为玻尔兹曼常数，？为绝对温度；Ｉ。为反向饱和电流，是与ＰＮ结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明

ｙ囊 ＝ｙ，。＋丌８

而ＶＦｌ等－于丁，温度时的导笋值．由（３）式可得

ＶＦｌ（丁一丁。）

（５）

Ｉ。一ＣＴｒｅｘｐ［一掣］（２）

所以

其中Ｃ是与结面积和掺杂浓度等有关的常数，ｒ也是常数（ｒ的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取ｒ＝３．４ｍ），Ｖ。（Ｏ）为绝对零度时ＰＮ结材料的导带底和价带顶的电势差．

将（２）式代入（１）式，两边取对数可得

‰巩＋［一学１一争ｒ］（丁也）＝

、

１

务一一半一鲁ｒ㈤

Ｖ

，

Ｋ（ｏ）一［Ｌ（ｏ）一ｎ，）署一口ｋ．－生－（Ｔ—ｒ－）ｒ（７）

由理想线性温度响应（７）式和实际响应（４）式相比较，得实际响应对线性响应的理论偏差为

Ｖｒ—ｙ。ｃ。，一（鲁，ｎ￡）丁一

竿ｌｎ７Ｖ—ｙｌ＋Ｖ。ｌ

（３）

△一‰吨＝鲁啦；－－Ｔ）＋ｋｑＴＩｎ㈤７

（８）

其¨叱（ｏ）一》罢）丁肌一等－ｎｒ

设Ｔ，＝３００Ｋ。Ｔ一３１０Ｋ，取，．一３．４，由

万方数据 浙江大学“２１１工程”及“物理实验基础课程建设基金“赍助建设项目

PN结正向压降温度特性的研究和应用

８

（８）式可得△为０．０４８ｍＶ，而相应的ｙＦ的改变量约２０ｍＶ，相比之下误差甚小．不过当温度变化范围增大时，ｙｒ温度响应的非线性误差将有所递增，这主要由于，．因子所致．

综上所述，在恒流供电条件下，ＰＮ结的ｎ

对丁的依赖关系取决于线性项ｙｌ，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是ＰＮ结测温的依据．必须指出，上述结论仅适用于杂质全部电容离、本征激发可以忽略的温度区间（对于通常的硅二极管来说，温度范围约一５０～１５０℃）．如果温度低于或高于上述范围，由于

杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加，％一

丁关系将产生新的非线性，这一现象说明¨一丁

的特性还随ＰＮ结的材料而异，对于宽带材料（如ＧａＡｓ）的ＰＮ结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小（如ＩｎＳｂ）的ＰＮ结，则低温端的线性范围宽．对于给定的ＰＮ结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性项

，｜２Ｖ．

１

Ｖｄ引起的．由Ｖ。－对Ｔ的二阶导数：专并＝寺，

Ｕ』

』

可知等的变化与Ｔ成反比．所以ｙｒ—Ｔ的线

一１厂Ｕ』

性度在高温端优于低温端，这是ＰＮ结温度传感器的普遍规律．此外，由（４）式可知，减小矗，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法大致有两种：

１）利用对管的两ｂｅ结（将三极管的基极与集电极短路，与发射极组成一个ＰＮ结），分析在不同电流矗。，矗。下工作，由此获得两者电压

之差（ｙＦ。一¨２）与温度成线性函数关系，即

ｌＴ

，ｒ、

ｙ，，一¨，＝竺三ｌｎｌ善ｌ

ｇ

＼』Ｆ２／

由于晶体管的参数有一定的离散性，实际与理论仍存在差距，但与单个ＰＮ结比其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，构成集成电路温度传感器．

２）ＯｋｉｒａＯｈｔｅ等人提出的采用电流函数

发生器来消除非线性误差．由（３）式可知，非

线性误差来自ｒ项，利用函数发生器，使 …… 此处隐藏：7634字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……