利用PN结Vf(1)

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1、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

2、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

3、结电流方程（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，（2）其中式中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Vf>>26mV，略去（2）中的常数1，考虑到Vg也是随温度变化的量，Vg=Vg0+βT，Vg

4、0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（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（其中G为线性项贡献的灵敏度）及可知，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可知，在同样温度下，禁带宽越大的

5、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

6、。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(mV/℃)。T(℃)表二灵敏度考察If

7、(μA)0.0-4.24.2-8.18.1-14.814.8-20.020.0-30.730.7-40.840.8-50.650.6-60.660.6-70.570.5-79.079.0-89.189.1-95.53DG610-2.21-2.23-2.22-2.26-2.28-2.25-2.26-2.29-2.30-2.30-2.31-2.31-2.27100-1.95-1.95-1.96-1.95-1.97-2.01-2.02-2.04-2.03-2.05-2.05-2.04-2.00300-1.92-1.92-1.94-1.95-1.96-1.

8、97-1.95-1.95-1.96-1.97-2.00-2.00-1.953DG20210-2.33-2.34-2.34-