2. Транзисторы

Диодыитранзисторывдиодномвключенииуспешноиспользуют-сявкачестветермочувствительныхэлементов.Первыесообщенияобихприменениикакпростыхидешевыхприборовдляизмерениятем-

пературывдиапазонемежду

50Cи150C

относятсяк1962году

[2.19].Дальнейшеерасширениегранициспользованиядиодовитран-

зисторовнаступилопослепоявлениятехнологииинтегральныхсхем.Здесьнаиболееперспективнымиоказалисьтранзисторы.Во-первых,потому,чтовинтегральныхсхемахосновныеэлементы–транзисторыипосоображениямоднотипностиэлементовцелесообразнееприме-нятьтранзисторвдиодномвключении,нежелисоздаватьспециальнуюдиоднуюструктуру.Вкачестветермочувствительнойструктурыис-пользуетсяпереходэмиттер-база,апереходколлектор–база–короткозамкнут,v_кб0.

Во-вторых, воспроизводимость харектеристик транзисторных

структурвдиодномвариантевключенияоказываетсясущественнолучше,чемупростыхдиодов.Этоприводитклучшейвзаимозаменяе-мостиэлементов,чтооченьважнодляпрактики.Поэтомудалеемыбудемиметьввидуименнотранзисторныеструктуры.

Возможностьприменениядиодовитранзистороввкачестветермо-

чувствительныхэлементовбазируетсянасвойствахВАХр–n-пере-хода.Есличерездиодпропускатьпостоянныйтоквпрямомнаправле-нии,тонапряжениенавыводах(рис.2.11)vзависитоттемпературыиявляетсявыходнойхарактеристикойтермочувствительногоэле-мента.

vv

I

I

а б

Рис.2.11.Диодитранзисторвдиодномвключении как термочувствительные

элементы

Чувствительностьктемпературеопределяетсякак

s^dvисо-

dT

ставляетоколо

2,5мВ/К.Чувствительностьимеетслабуютемпера-

турнуюзависимость,котораяиопределяетметрологическиехаракте-

ристикидиодовитранзистороввкачестветемпературныхсенсоровилиэлементовмикросистемнойтехники.

ПрямаяветвьВАХр–n-переходаимеетвид:

IIexp^ev, (2.4.1)

⁰ kT

гдеI_0–плотностьтоканасыщения.

Из(2.4.1)следуетпростоесоотношениенапряжениянар–n-

^{переходе(v}_эб^{)итокаIчерезнего:}

^vэб

_kT_lnI

. (2.4.2)

При

Iconst

напряжение

^vэб

e I₀

зависитоттемпературыявнымоб-

разом(первыйсомножитель)инеявно,черезток

жителе.

I_0вовторомсомно-

Вреальныхструктурахпрямойтокопределяетсяинжекциейнеос-новныхносителейвбазу(диффузионнаясоставляющая),рекомбина-

циейэлектроновидыроквобластир–n-переходаинаповерхности,атакжетокамиутечкипоповерхности.Втранзисторахбазаизготавли-ваетсятонкой,аповерхностьобрабатываетсятак,чтобыминимизиро-ватьскоростьповерхностнойрекомбинации.Врезультатерекомбина-ционнаясоставляющаятокаоказываетсяподавленной,адиффузионнаясоставляющаястановитсядоминирующей.

ТеориядаетследующуюзависимостьтокаI_0оттемпературы[2.15]:

_m ^ev_q0

I_0CT

exp__kT

_. (2.4.3)

 

Здесьv_q0–шириназапрещеннойзонывкремнии,ввольтах;m–ко-эффициент,близкийк3;C–константа,независящаяоттемпературы,носвязаннаясгеометриейпереходаиуровнямилегированияегооб-ластей.

Из(2.4.2)и(2.4.3)получаем

^vэб

v_q0

^{kTlnIkTmlnTlnC}^{. (2.4.4)}

e e

^{ПостояннуюCитокIможноисключить,еслипредварительно}

^{определитьнапряжениенатранзистореv}_r

призаданнойтемпературе

T_r^{итомжетоке.ТемпературуT}_r

обычновыбираюткаксреднююв

температурномдиапазонеработытранзистора.Послепреобразованийзависимость(2.4.4)принимаетвид

vv

^T^



 vv

_mkT_lnT

. (2.4.5)

q₀ ^_T^

r q_{0 e T}

r r

Уравнению(2.4.5)обыкновеннопридаюттакуюформу,чтобыпри

TT_r

коэффициентпередпервойстепеньютемпературыдавалтемпе-

ратурнуючувствительностьтранзистора.Посленекоторыхпреобразо-ванийполучается

vv

sT^mkTT

Tln^T, (2.4.6)

где

T

e

mkT_r

эб0

^ r ^

 r

^vr^vq₀ ^mk

v_эб0v_q0

;s  .

e T_r e

Третьеслагаемоев(2.4.6)описываетотклонениепреобразователь-нойхарактеристикитранзистораотлинейной.

Нарис.2.12приведеныэкспериментальныеданные,иллюстри-рующиеотклонениеотлинейностидлятермочувствительноготранзи-

									1
									2
									3

Отклонениеотлинейности,C

стораMS-102(фирма«Моторола»)винтервалетемпературот

20

3
2
1
0
–1
–2
–3						t,С
–40	0	40	80	120	160

Рис.2.12.ОтклонениеотлинейностидлятермотранзистораMS-102(1),платиновоготерморезистора(2),термопары

медь–константан(3)

до150C

[2.1].Видно,чтопогрешностьизмеренийнепревышает

2C.Наэтомжерисункеданыдлясравненияаналогичныехаракте-ристики для платинового терморезистора и термопары медь–

константан.

ЭкспериментальныеисследованиятранзистораMS-102даютсле-дующие численные значения параметров характеристики (2.1):

v_q0

1,171B;

m3,54.Приэтомнаблюдаетсянаилучшеесовпадение

(2.4.6) с экспериментальными данными. Выбрав температуру

T_r323К

^{итокI такой,что}

^v^323К^{547мВ,находим,что}

^v_в0^{1,269Вичувствительностьs323К}^{2,24мВ/К.}

Из-завлияниятехнологическихфактороввпроцессепроизводстватранзисторовнеизбежновозникаетразбросихпараметров.Компенса-цияэтогонежелательногоявления,влияющегопреждевсегонатемпе-ратурнуючувствительность,достигаетсяварьированиемвеличиныто-каI,текущегочерезтранзистор.Нонарядусэтимсуществуетинойпутьулучшенияметрологическиххарактеристик,базирующийсянаособенностяхинтегральнойтехнологии.

Припроизводствеинтегральныхтранзисторовабсолютноеизме-нениеихпараметровдовольновеликоиможетлежатьвинтервале10...20%,однакоотносительныйразброспараметровсоседнихтранзи-

сторовсущественноменьшеинепревышает1%.Этосвязаносгруп-повымхарактеромпроизводства,когда,например,ошибкавдозелеги-

рованиявлияетодинаковымобразомнатолщинубазывсех

транзисторовнапластине.Учитываяэто,целесообразноиспользоватьдляизмерениятемпературынеодин,адварядомрасположенныхтран-зистора.Нарис.2.13показаныдватранзисторасодинаковымзначени-емобратноготокаI_0,которые питаютсятокамиI_1иI_2.

Дляэтойпарысправедливыуравнения,аналогичные(2.4.2):

1

v^kTlnI1;

e I₀

2

v^kTlnI2.

e I₀

(2.4.7)

^v₁ ^v2

v_d

2

^I1 ^I

Рис.2.13.Параинтегральныхтермо-транзисторов

ИзмерениеразностинапряженийвлияниеI_0:

v_Pv_1v₂

позволяетисключить

P

v^kTlnI1. (2.4.8)

e I₂

Чувствительностьктемпературетакойпарытранзисторовравна

s^klnI1^klnn, (2.4.9)

гдеn^I1

I₂

e I₂ e

• отношениетоков.

Поскольку^k86,17мкВ/К,тосчисловымкоэффициентомфор-

e

мулапринимаетвид:

При

n2

s86,17lnn(мкВ/К).

чувствительностьпарытранзисторовоказываетсяравна

s59,73мкВ/К.Этоменьше,чемчувствительностьодиночноготран-

зистора,однаконелинейностьтемпературнойхарактеристикидляпары

2.5.Термисторы ₁₄₃

									2
									1

транзисторовсущественнолучше–нарис.2.14показаноотклонениеотлинейностипарытранзисторовиодиночноготранзистора,гдеэтоотчетливовидно.

2
1
0
–1
–2
–3						t,С
–40	0	40	80	120	160

Отклонениеотлинейности,C

Рис.2.14.Отклонениеотлинейностипреобразовательнойхарактеристики:

1–паратранзисторов;2–одиночныйтранзистор

Причинаотклоненияотлинейности–небольшоеразличиевтоках

I_0междутранзисторамивпаре,котороевсе-такиимеется.