PN结型测温传感器的工作原理和优势

1.温敏二极管及其应用

（1）工作原理

由PN结理论可知，对于理想二极管，只要U_F大于几个k₀T/q，其正向电流I_F与正向电压U_F和温度T之间的关系可表示为

式中 I_S=ABT^rexp（-E_g0/k₀T）——饱和电流；

B′=AB——与温度无关并包含结面积A的常数；

B——包括了所有与温度无关的因子的常数；

r——与迁移率有关的常数；

T——绝对温度，单位为K；

E_g0——0K温度时材料的禁带宽度，单位为eV；

k₀——波兹曼常数；

q——电子电荷，q=1.6×10^-19C。

两端取对数，可得作为温度和电流函数的正向电压：

式中，U_g0=E_g0/q。

上式给出了二极管的正向电压U_F与温度T之间的关系。在一定的电流下，随着温度的升高，正向电压将下降，表现出负的温度系数。

温度传感器总是从某一温度起开始工作。如果在某已知的温度（如室温）T₁下，工作电流为I_F1，那么，相应的正向电压U_F1应满足

整理得

U_F是理想二极管的正向电压与温度之间关系的另一种表达方式。由半导体理论可知，对于实际的二极管来说，只要它们工作在PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略，而又未发生大注入效应的电压和温度，它们的特性就与理想模型相符。因此上述可描写它们的电流—电压及温度特性。研究表明，对于锗和硅二极管，在相当宽的一个温度范围内，其正向电压与温度之间的关系符合上面所述。所以它们可以制造温敏二极管，通过对其正向电压的测量，实现对温度的检测。

（2）基本特性

1）U_F-T关系。对于不同的工作电流，温敏二极管的U_F-T关系也将不同。图7-45给出了国产2DWM1型硅温敏二极管恒流下的U_F-T特性。可以看出在-50～+150℃范围内，其U_F-T之间具有良好的线性关系。

图7-45 2DWM1型硅温敏二极管的U_F-T特性

2）灵敏度特性。温敏二极管的灵敏度定义为正向电压对温度的变化率。将式对T求偏导数，可得灵敏度表达式为

由式可知温敏二极管的灵敏度为负值，且与常数r、温度T及电流I_F有关。当I_F=I_F1时，灵敏度表达式为

从式中不难看出，当I_F恒定不变时，S随温度增加而缓慢递增。

当T=T₁时，式变为(www.xing528.com)

由式可知，对于给定的温敏二极管，只要工作在恒定电流下，在某已知温度T₁下的灵敏度S₁就仅取决于电流I_F1（或正向电压U_F1）的大小。

3）自热特性。温敏二极管工作时总要通过一定的电流，因此自热是不可避免的，致使其结温T_J高于环境温度T_A。研究表明，在稳定状态下，自热温升由下式给出：

ΔT=T_J-T_A=R_thP=R_thI_FU_F

式中 P——消耗的电功率。

自热温升正比于功耗，其比例系数为热阻R_th。

由此可知，对于一定的热阻R_th，自热温升取决于I_F和T。显然在一定的温度范围内，对于不同的工作电流，自热温升是不同的。

当T=T₁，I_F=I_F1时，自热温升为

可见随着I_F1的增加，自热温升将迅速增加；随着T₁的降低，自热温升将增加。对于低温测量，恒定工作电流一般取10～50μA。在室温下，对于硅和砷化镓温敏二极管，当工作电流大约超过300μA时，就应考虑自热温升。然而对于某些温度测量，往往有意加大工作电流，使温敏二极管工作在自热状态下，利用环境条件的变化对温敏二极管温度的影响，实现对某些非温度量如流体流速和液面位置等的检测。

图7-46 简易温度调节器电路

（3）典型应用

利用温敏二极管的U_F-T关系及其自热特性，已制成了各种温度传感器、换能器以及温度补偿器等。图7-46给出了一个典型应用实例。这是一种简易温度调节器，用于液氮气流式恒温器中77～300K范围的温度调节控制。VD是温度检测元件，采有锗温敏二极管。调节R_w1，可使流过VD的电流保持在50μA左右。比较器采用集成运算放大器μA741，其输入电压为U_r和U_x。U_r为参考电压，由R_w2调整给定。所要设定的温度也由U_r给定。U_x随温敏二极管的温度变化而变化，而比较器的输出按差分电压的变化而变化，并驱动由晶体管构成的电流控制器，控制加热器加热。该温度调节器在30min内，控温精度约为±0.1℃。

2.温敏晶体管及其应用

（1）简单原理和基本电路

二极管作为温敏器件是利用PN结在恒定电流条件下其正向电压与温度之间的近似线性关系，这种关系对扩散电流成立。但是，对于实际的二极管，其正向电流除扩散电流成分外，还包括空间电荷区中的复合电流成分和表面复合电流成分。后两个电流成分与温度的关系不同于扩散电流成分与温度的关系，因此，实际二极管的电压—温度特性将偏离理想情况。采用晶体管代替二极管作为温敏器件可以很容易解决这个问题。在发射结正向偏置条件下，虽然发射极电流包括上述三种成分，但只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电极电流，而另两个电流成分则作为基极电流漏掉，并不到达集电极。正是由于这个原因，晶体管的I_c-U_be关系比二极管的I_F-U_F关系更符合理想情况，并因此表现出更好的电压—温度特性。

根据晶体管的有关理论可以证明，NPN型晶体管的基极—发射极电压与变量T和I_c的函数关系为

式中，。

如果电流I_c为常数，则式中给出的U_be仅随温度做单调和单值变化。图7-47a给出了一种最常用的温敏晶体管基本电路。温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，同时基极接地。电路的这种接法使得发射结为正偏，而集电结几乎为零偏，因为集电极与“虚地”的反相输入端相接。零偏的集电结使得集电极电流中不需要的成分——集电结空间电荷区中的生成电流、反向饱和电流及表面漏电流为零。而发射极电流中的发射结空间电荷区复合电流和表面漏电流作为基极电流流入地内，因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成。集电极电流I_c的大小仅取决于集电极电阻R_c和电源电压U_cc，而与温度无关，从而保证了温敏晶体管处于恒流工作状态。电容C₁的作用在于防止寄生振荡。图7-47b给出了这个电路的输出，即U_be与温度T的关系的实验结果。三条曲线对应着不同的集电极电流值，且小电流对应着较大的电压温度系数。由图还可以看出，温度系数对电流的依赖性并不十分强烈，这是因为U_be是I_c的对数函数关系。

（2）典型应用

由于温敏晶体管成本低、参数的一致性和器件的互换性好，使其应用越来越广。这方面应用的例子很多，由于篇幅受限，这里给出一种应用实例。它是由两个温敏晶体管组成的温差传感器，其电路如图7-48所示。它的输出反映两个待测点的温差，经常用于过程监视或控制场合。与数字电压表相接，可构成温差计。与适当的控制电路相接，可以完成恒温或液面位置控制功能，也可用于报警器。

图7-47 温敏晶体管的基本电路及其输出特性

a）基本电路 b）输出特性

该电路使用性能相同的两个温敏晶体管MTS102作为测温探头，分别置于待测温差的两个位置。两个反映各自温度的U_be分别经过运算放大器A₁和A₂缓冲之后，加到运算放大器A₃的输入端进行差分放大。在两个温敏晶体管温度相同的条件下，也就是说两点温差为零时，调节100kΩ电位器，使A₃的输出U_o为零。这一单点定标保证了传感器的输出U_o正比于两点温差。灵敏度由R_f和R值决定，当R取27kΩ和15kΩ时，灵敏度分别为10mV/K和10mV/℃。该传感器适用于0～150℃范围内的温差检测和控制，其精度为±0.5℃。

图7-48 温差测量电路