半导体传感器2014ppt课件.ppt

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1、第三章半导体温度传感器§3.1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§3.3半导体PN结型温度传感器§3.4半导体集成温度传感器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，材料的禁带宽度、载流子浓度和载流子的迁移率是受温度影响较大的主要因素。⒈禁带宽度受温度的影响一般而言，随温度的升高，半导体材料的禁带宽度逐渐减小，基本的关系式为：§3.1半导体温度传感器的物理基础⒉载流子浓度ni受温度的影响以半导体材料的本征载流子浓度为例，二者之间的关系可以用下式来表示：随着温度的升高，ni呈指数增大的趋势。⒊迁移率μ受温度的影响根据散射理

2、论，载流子的迁移率受多种因素的影响，其中以电离杂质散射和晶格振动散射为主，二者均受温度的影响。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）以及集成温度传感器的常见实例。①电离杂质散射：②声学波散射：③光学波散射：几种散射同时存在时,有: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。半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（-200～＋880℃）热敏电阻已逐渐取代

3、传统的温度传感器。一、半导体热敏电阻的结构热敏电阻结构通常采用金属氧化物材料利用特殊的陶瓷工艺，制成烧结体，外形及结构如图3.1所示。§3.2半导体电阻式温度传感器图3.1热敏电阻外形及结构示意图二、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变化而变化的性质进行温度的检测。按热敏电阻的阻值与温度关系不同可分为：正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）。⒈PTC的工作原理(PositiveTemperatureCoefficient)PTC热敏电阻通常采用钛酸盐（BaTiO3）系列材料（掺杂后），其特点是

4、在某一温度Tc（居里点）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3～7个数量级，可作温度开关使用，居里点可通过掺杂来控制。PTC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，可以利用晶界势垒模型来解释PTC材料的工作原理：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，势垒随之急剧增高，因而电子难以越过势垒，相

5、应材料的电阻率上升，表现出正温度系数。⒉NTC的工作原理(NegativeTemperatureCoefficient)NTC热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物（主要用Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）在一定的烧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P型半导体的特性。在温度测量中，主要采用NTC材料。工作原理：对于具有P型半导体性质的NTC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度无关，主要考虑迁移率与温度的关系，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，表现为负的温度系数。⒊CTR热敏电阻(CriticalTemperat

6、ureResistor)CTR热敏电阻可以看做是NTC的特例，可用V、Ba、Sr、P等氧化物混合烧结制成。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3～4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骤变温度。CTR热敏电阻也可作为温度开关使用。CTR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，使其电阻率有大幅度的降低。⒈热敏电阻的温度特性（RT—T）12340601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC图3.2热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-PTC三、热敏电阻器主

7、要特性⑴正电阻温度系数（PTC）热敏电阻的温度特性：其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如下图。10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2Ω图3.2PTC热敏电阻器的电阻—温度曲线T/ºC电阻/ΩTp1Tp2Tc=175ºCPTC热敏电阻的特点之一是它的居里点可以通过掺杂来控制。PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻—温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。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—温度特性可近似用下面