1.6. Полупроводниковые датчики и индикаторные приборы

1.6.1. Полупроводниковые датчики температуры

В качестве датчиков температуры широкое применение находят полупроводниковые терморезисторы, диоды и транзисторы.

Полупроводниковым терморезистором называется прибор, принцип действия которого основан на использовании терморезисторного эффекта, заключающегося в значительном изменении сопротивления полупроводникового материала при изменении температуры.

Полупроводниковые терморезисторы выгодно отличаются от проволочных приборов не только большими собственными сопротивлениями, но и малыми размерами. На их основе создают устройства, обладающие повышенными точностью и быстродействием.

К недостаткам полупроводниковых терморезисторов следует отнести нелинейность их характеристик и значитель­ный технологический разброс параметров.

Аналитическая зависимость сопротивления терморезистора от температуры (Т) имеет вид

, (1.6.1)

где A, и B - постоянные, определяемые свойствами полупроводникового материала и конструкцией терморезистора. Для большинства существующих терморезисторов <<1 и поэтому при расчетах можно пользоваться более простым выражением

Из выражения (1.5.1) следует, что с ростом температуры сопротивление терморезистора уменьшается.

Температурную чувствительность терморезисторов принято характеризовать величиной их температурного коэффициента сопротивления (TKR), типовое значение которого лежит в диапазоне от -2 до -8,5% .

В настоящее время разработаны терморезисторы с положительным значением TKR.

При измерении температуры с помощью полупроводниковых диодов используют температурные зависимости либо обратного тока p-n-перехода ( ), либо прямого падения напряжения на p-n-переходе ( ). Напомним, что обратный ток реального диода складывается из трех составляющих: тока утечки , тока генерации обусловленного регенерацией и рекомбинацией носителей в области p-n-перехода ( ) и теплового тока .

Ток утечки определяется поверхностными энергетическими состояниями и слабо зависит от температуры. Его уровень, в основном определяет обратное напряжение p-n-перехода. Ток генерации зависит как от обратного напряжения p-n-перехода, так и от температуры. Тепловой ток практически не зависит от обратного напряжения и полностью определяется температурой p-n-перехода. Этот ток практически для всех диодов определяется выражением:

(1.6.2)

где q - заряд электрона; V - объем полупроводникового кристалла, в котором генерируемые носители участвуют в образовании теплового тока; - собственная концентрация носителей заряда материала полупроводника; - время жизни основных носителей заряда; - концентрация основных носителей заряда в области базы.

При высоких температурах с достаточной точностью можно полагать, что

, (1.6.3)

где N - постоянная, мало зависящая от температуры; - ширина запрещенной зоны полупроводника; - константа, равная 0,5 … 1; k – постоянная Больцмана.

Типовая зависимость для различных диодов приведена на рис. 1.6.1.

Рис. 1.6.1. Относительные изменения обратных токов диодов ( ) от температуры:1 – германиевый сплавно-диффузионный переход; 2 – германиевый сплавный переход; 3 – кремниевый диффузный переход

Прямое падение напряжения на p-n-переходе может быть определено из выражения для вольт-амперной характеристики идеаль­ного p-n-перехода

, (1.6.4)

где - прямой ток p-n-перехода. Используя выражение (1.6.4) для ТКН диода, можно записать

, (1.6.5)

где K - постоянная, определяемая типом составляющей тока дио­да (диффузионная - 0,198, рекомбинационная: низкий уровень инжекции - 0,375, высокий уровень инжекции - 0,596).

Реальная величина ТКН прямого падения напряжения на диоде лежит в диапазоне от -1 до -3,5мВ/°С. На рис. 1.6.2 приведены типовые зависимости для германиевого сплавного диода.

Рис. 1.6.2. Зависимость прямого смещения p-n-перехода от температуры

На практике наиболее часто для измерения температуры используют зависимости , что объясняется следующими причинами. Во-первых, при выполнении условия зависимость носит линейный характер. Во-вторых, напряжение легко поддается непосредственному измерению. Пренебрегая падением напряжения на омическом сопротивлении диода, можно полагать, что . Тогда для диода, как датчика температуры, можно записать

,

где - падение напряжения на диоде при температуре ; - измеряемая температура.

Использование биполярных транзисторов позволяет значительно улучшить характеристики термопреобразователей. Исследова­ния показали, что наилучших результатов можно добиться при использовании режима работы транзистора, при котором эмиттерный и коллекторный переходы транзистора, включенного по схеме с ОБ, смещены в прямом направлении (рис. 1.6.3).

Рис. 1.6.3. Режим встречной инжекции n-p-n-транзистора, включенного в схему с ОБ.

Для схемы с ОБ n-p-n-транзистора (рис. 1.6.3) при заданном токе эмиттера температурный коэффициент коллекторного тока практически постоянен до температуры 80…100°С для германиевых и 120…150°С для кремниевых транзисторов. Реальная погрешность изменения тока не превышает 2…3%. При этом значение температурного коэффициента тока коллектора практически не зависит от самого тока коллектора и может плавно регулироваться изменением зна­чений и .

На рис. 1.6.4 приведены экспериментальные зависимости , полученные для транзисторов разного типа при раз­личных значениях .

Рис. 1.6.4. Температурные зависимости коллекторного тока транзисторов:1 - транзистор МП21; 2 – транзистор ГТ109Б

На практике широкое распространение получил датчик температуры на двух транзисторах, технологически выполненных на одном кристалле (рис. 1.6.5). Этот датчик, хотя и обладает меньшей чувствительностью, чем датчик на одиночном транзисторе, но выгодно отличается от него, меньшей нелинейностью преобразования.

Зависимость пределов изменения выходного напряжения от пределов изменения температуры для схемы на рис. 1.6.5 описывается выражением

, (1.6.6)

где k – постоянная Больцмана; q – заряд электрона.

Рис. 1.6.5. Датчик температуры на базе двух идентичных n-p-n-транзисторов

Из приведенного выражения можно сделать важный практический вывод: выходное напряжение датчика, приведенного на рис. 1.6.5, прямо пропорционально изменению температуры и не зависит ни от свойств полупроводникового материала, ни от технологии изготовления транзистора ( ). Данный датчик дает хорошие результаты при измерении температуры среды в широком диапазоне (от -25 до +100°С).

Для получения высокого коэффициента преобразования в узком диапазоне изменения температур может быть применен датчик, схема которого приведена на рис. 1.6.6.

Рис. 1.6.6. Схема полупроводникового датчика температуры с высоким коэффициентом преобразования

В данной схеме транзистор VT1 выполняет роль чувствительного элемента. Для этого его эмиттерный переход смещен в обратном направлении. Транзистор VT2 включен по схеме с ОЭ и выполняет роль усилителя. При изменении температуры изменяется падение напряжения на обратносмещенном эмиттерном переходе VT1, а следовательно, из­меняется базовый ток транзистора VT2, что приводит к изменению падения напряжения на резисторе R2.