Глава 15. Полупроводниковые датчики

15.1. Датчики температуры

Простейшим датчиком температуры является полупроводниковый резистор, изготовленный, например, в виде стержня с двумя омическими контактами на концах.

Терморезисторы – это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от температуры: увеличивается при уменьшении температуры и уменьшается при ее увеличении. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) таких резисторов отрицательный. Имеются терморезисторы с положительным ТКС – позисторы. С повышением температуры сопротивление у них также увеличивается, а с понижением – уменьшается.

Изменение сопротивления полупроводников при изменении температуры связано преимущественно с изменением концентрации носителей заряда. При температурах вблизи комнатной концентрация

носителей заряда в полупроводниках меняется в основном за счет собственных носителей, в связи с чем для увеличения относительного

изменения концентрации с изменением температуры необходимо использовать полупроводники с проводимостью, близкой к собственной. Сопротивление собственного полупроводника, если пренебречь зависимостью подвижности от температуры, можно выразить приближенно следующим образом:

где R0 – номинальное сопротивление при Т0 = 293 К.

Кроме величин В и R0 терморезистор характеризуется следующими основными параметрами:

·максимально допустимая мощность рассеяния Рмах и максимально допустимая температура Тмах, при которых не происходят необратимые изменения характеристик терморезистора;

252

∙коэффициент рассеяния Н, численно равный мощности, отводимой от

терморезистора в окружающую среду при разности температур поверхности терморезистора и окружающей среды 1 град;

∙постоянная времени τ, равная времени, за которое превышение

температуры рабочего тела терморезистора над окружающей средой при охлаждении его в спокойном воздухе уменьшается в 2,7 раз.

Из вольт-амперной характеристики терморезистора (рис. 15.1) видно, что при малых напряжениях электрическая энергия, выделяемая в терморезисторе, мала, его температура в зависимости от протекающего тока не изменяется и вольт-амперная характеристика линейна (выполняется закон Ома). При дальнейшем увеличении напряжения выделяемая энергия приводит к повышению температуры и уменьшению сопротивления.

Рис. 15.1. Вольт-амперная характеристика терморезистора при разных температурах окружающей среды (T1 > T2) (а) и схема переключателя на основе терморезистора (б)

Это вызывает увеличение тока, что обусловливает дальнейшее повышение температуры терморезистора, уменьшение его сопротивления и дальнейший рост тока.

Такая положительная обратная связь по току приводит к его лавинному нарастанию и появлению участка с отрицательным сопротивлением. Соответственно вольт-амперная характеристика терморезистора имеет S- образный вид.

В зависимости от назначения схемы терморезисторы работают в двух основных режимах.

При малых напряжениях (U < Uср) ток, протекающий через терморезистор, не вызывает его заметного разогрева и определяется по закону Ома I = U/R, где R зависит от температуры окружающей cреды. Этот

режим используется в устройствах датчиков температуры и схемах температурной компенсации.

Как и всякий прибор с вольт-амперной характеристикой S-типа, терморезистор может использоваться в схеме переключателя (рис. 15.1, б). Сопротивление нагрузки Rн и напряжение источника питания Е выбираются

253

таким образом, чтобы нагрузочная линия пересекала вольт-амперную характеристику терморезистора в трех точках. После включения источника питания устанавливается рабочая точка а и в цепи протекает небольшой ток.

Падение напряжения на терморезисторе уменьшается при повышении температуры окружающей среды или при уменьшении коэффициента рассеяния. При воздействии любого из указанных факторов, например повышении температуры, вольт-амперная характеристика терморезистора изменяется от кривой 2 к кривой 1 (рис. 15.1). Рабочая точка перемещается из а в б, и ток в цепи резко увеличивается. При возвращении внешней

температуры к первоначальному значению рабочая точка перемещается из б в в и высокое значение тока в цепи сохраняется. На этой основе могут быть построены датчики, реагирующие на изменение температуры, влажности, скорости потока, уровня жидкости и т.д.

Терморезисторы изготавливаются из поликристаллических полупроводников с большим температурным коэффициентом сопротивления.

Чаще всего для этой цели используются окислы металлов переходного ряда периодической системы элементов или смеси окислов этих металлов, например никеля и марганца; никеля, марганца и кобальта; титана и магния и др. Наибольшее распространение получили терморезисторы, выполненные на основе медно-марганцевых (ММТ и СТ2), кобальто-марганцевых (КМТ и СТ1) и медно-кобальто-марганцевых (СТЗ) оксидных полупроводников с отрицательным ТКС. В качестве позисторов применяются титано-бариевые терморезисторы (СТ5 и СТ6).

Для измерения низких температур (от азотных до гелиевых) часто используются терморезисторы из графита. В последнее время широкое применение находят терморезисторы из легированного германия и кремния.

Введение в эти полупроводники примесей позволяет подобрать оптимальный температурный коэффициент для заданного интервала рабочих температур, так как можно ввести уровни с требуемой энергией активации.

Монокристаллические терморезисторы обладают также большей стабильностью и надежностью. Их параметры более воспроизводимы,

поэтому они используются при создании аппаратуры с более жесткими требованиями по надежности.

Полупроводниковый датчик температуры можно изготовить на основе n-p перехода, используя зависимость от температуры обратного тока перехода.

Ток насыщения полупроводникового диода можно представить выражением вида:

254

где коэффициент А слабо зависит от температуры.

Таким образом, статическое сопротивление диода можно записать в том же виде, что и для терморезистора, но в данном случае величина B = E/k в два раза больше значения В для терморезистора.

Используя зависимость обратного тока и сопротивления диодов от температуры, их можно применять в качестве датчиков температуры.

Преимуществом диодных датчиков является высокая чувствительность и малый потребляемый ток.

На практике для расчета зависимости I0 = f(Т') используется следующее выражение:

где I0Т – экспериментально измеряемый обратный ток диода при температуре

T0.

Германиевые диоды используются для измерения температур не выше 90..100°С, а кремниевые – до 150..170°С. Для измерения более высоких температур можно применять диоды из арсенида галлия.

При выборе в качестве термочувствительного параметра обратного тока диода термочувствительность максимальна, однако характеристика нелинейна (15.7). Для получения линейной зависимости напряжения с датчика от температуры используется зависимость прямого напряжения на n- p переходе от температуры.

Для этого лучше подходит n-p переход с тонкой базой, так как его вольт-

амперная характеристика меньше зависит от времени жизни неосновных носителей, а, следовательно, и от состояния поверхности, т.е. более стабильна.

Для р+-n перехода при I >> I0 падение напряжения на диоде можно

где w – длина области n-типа, в постоянную С входят все не зависящие от температуры постоянные.

При использовании в качестве датчика температуры n-р переход работает в режиме I = const. Такой датчик работоспособен в интервале температур 77…400 К. Незначительная нелинейность зависимости напряжения на диоде от температуры все же существует (из-за множителя Т4-α в логарифме). Для ее уменьшения нужно использовать полупроводник с большей зависимостью подвижности от температуры (больше α).

255

Изготовить термочувствительный датчик можно также, взяв за основу использовать биполярные транзистор или тиристор. Обратный ток коллекторного n-p перехода транзистора Iк0 так же зависит от температуры, как ток насыщения полупроводникового диода. При работе транзистора в

качестве датчика температуры обычно используют схему включения с ОЭ и отключенной базой. Ток через транзистор в этом случае может быть записан

как

Тогда зависимость сопротивления транзистора от температуры имеет тот же вид (15.6), что и для диода, но сопротивление R∞ будет в β раз меньше.

Так как температурный коэффициент сопротивления αт от величины R не зависит, то следовало бы ожидать, что для транзистора он будет иметь такое же значение, как и для диода. Однако экспериментально измеряемые значения αт у транзисторов выше, чем у диодов. Причина этого заключается в зависимости коэффициента передачи тока от тока эмиттера.

Для линейного увеличения β в зависимости от тока можно получить значение температурного коэффициента сопротивления (9.3) для транзистора

в схеме с ОЭ и отключенной базой в виде

где αТД – соответствующий коэффициент для п-р перехода. Следовательно,

для увеличения термочувствительности транзистора необходимо усилить зависимость β от тока. Если же величина β постоянна, то термочувствительность диода и транзистора будут одинаковы.

Наибольший интерес с точки зрения применения тиристоров в качестве датчиков температуры представляет зависимость напряжения включения Uвкл от температуры. Основными фактором, от которых зависит Uвкл, являются

напряжение лавинного пробоя и величина обратного тока коллекторного перехода I0.

Внастоящее время промышленностью выпускаются лишь кремниевые тиристоры. Напряжение лавинного пробоя кремниевых п-р переходов слабо увеличивается с ростом температуры (порядка 0,3% 1/К) за счет уменьшения длины свободного пробега носителей заряда. Как отмечалось выше, в

кремниевых п-р переходах величина обратного тока I0 мала и незначительно возрастает при увеличении температуры.

Таким образом, небольшое увеличение Uвкл за счет роста Uпроб с температурой компенсируется уменьшением Uвкл за счет увеличения I0 и

напряжение включения не меняется с температурой до высоких температур

(~120°С).

Вгерманиевых п-р переходах I0 значительно больше, и его увеличение с

температурой должно приводить к заметному уменьшению напряжения

256