温度敏感的二极管和晶体管

1.工作原理

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

式中 k0——波尔兹曼常数；

q——电子电荷，q＝1.6×10－19C；

T——绝对温度（K）；

IS——饱和电流；

Eq0——半导体在0K温度时的禁带宽度（eV）；

B′——常数，与PN结的结构相关；

Tγ——常数与电子迁移率有关。

由式（2.4-1）可以看出，等式左边除变量T和IF外其它均为常数，如果在正向电流IF一定的情况下，随着温度T的升高，正向电压UF将下降，表现出负温度系数（见图2.4-1）。

温敏二极管的灵敏度定义为正向电压对温度的变化率，即S＝∂UF/∂T。只要工作在恒定电流下，在某一温度T1时的灵敏度S1就仅取决于正向电流IF1（或正向电压UF1）的大小。但是需要注意，正向电流不能过大，因为电流经过PN结时将消耗部分功率，致使结温Tj高于环境温度TA，这种自热温升主要取决于IF和环境温度T。在一定温度范围内，自热温升可由下式给出

图2.4-1　2DWM1硅温敏二极管特性

式中 RTH——PN结的等效电阻。(www.xing528.com)

随着IF（或UF）得增加，自热温升也正比增加；随着环境温度TA的降低，自热温升也会相对增加。对于低温测量，恒定电流一般取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，就应该考虑自热温升。然而，有时可以利用自热温升实现对某些非温度量如流体流速和液面位置的检测。

上述温敏二极管的PN结温度特性，实际上在由PN结构成的晶体管上也同样存在。在恒定集电极电流的情况下，晶体管发射极结上的正向电压随温度上升而近似线性下降，NPN晶体管的基极—发射极电压UBE与集电极电流IC和温度T的关系为

与式（2.4-1）比较可知，如果集电极电流IC恒定不变，UBE仅随温度T呈现单调、单值变化。

2.温敏二极管和温敏晶体管的典型应用

（1）简易温度调节器

图2.4-2是一个简易温度调节器，用于液氮气流式恒温器中77～300K范围调节控制。VDT是温度检测元件，采用锗温敏二极管。WR1调节恒流源电流为50μA，WR2调节设定温度。该温度调节器在30min内，控温精度约±0.1℃。

（2）温差测量

图2.4-3是由两个温敏晶体管组成的温差测量电路。用两个温敏晶体管MTS102作为探头，分别置于待测温差的两个位置上。调节WR以保证在两点温差为零时，差分放大器A3的输出U0也等于零。A1和A2是缓冲放大器，其高输入阻抗保证了温敏晶体管的UBE变化不会受到放大电路的影响。

图2.4-2　简易温度调节器

图2.4-3　温敏晶体管组成的温差测量电路

（3）流量检测

图2.4-4是利用图2.4-3所示测量电路来检测流体流速的原理图。管道中放置一个恒定电源供电的加热丝，加热丝左右两边各放置一个温度敏感元件。若流体不流动，两个温度敏感元件感应的温度相同，温差等于零；若流体由左向右流动，上游V1处的热量被流动的流体带到下游V2处，所以V2的温度将高于V1的温度，其温度差与流体的流速相关，从而通过温差信号换算出流体的流速。如果管道横截面积是已知的，则管道内的流体流量就等于流速乘横截面积。