半导体传感器2014-3

第三章半导体温度传感器§3.1半导体温度传感器的物理基础§3.2半导体电阻式温度传感器§3.3半导体PN结型温度传感器§3.4半导体集成温度传感器半导体材料的热敏效应，主要体现在温度对半导体材料电学性质的影响上，材料的禁带宽度、载流子浓度和载流子的迁移率是受温度影响较大的主要因素。⒈禁带宽度受温度的影响一般而言，随温度的升高，半导体材料的禁带宽度逐渐减小，基本的关系式为：§3.1半导体温度传感器的物理基础TTEgTEg20⒉载流子浓度ni受温度的影响以半导体材料的本征载流子浓度为例，二者之间的关系可以用下式来表示：随着温度的升高，ni呈指数增大的趋势。⒊迁移率μ受温度的影响根据散射理论，载流子的迁移率受多种因素的影响，其中以电离杂质散射和晶格振动散射为主，二者均受温度的影响。)2exp(23kTEgTni利用半导体材料的热敏效应，可以制作成各种各样的半导体温度传感器，在本章中我们主要学习半导体电阻式温度传感器（以半导体热敏电阻）、半导体pn结型温度传感器（温敏二极管、温敏三极管）以及集成温度传感器的常见实例。①电离杂质散射：231TNii②声学波散射：③光学波散射：2/3　　　Ts1exp01Tkho几种散射同时存在时,有:......1111osi电阻式温度传感器主要包括热电阻（金属，如铂、铜电阻温度计等）和半导体热敏电阻。半导体热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-200～＋880℃）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。一、半导体热敏电阻的结构热敏电阻结构通常采用金属氧化物材料利用特殊的陶瓷工艺，制成烧结体，外形及结构如图3.1所示。§3.2半导体电阻式温度传感器图3.1热敏电阻外形及结构示意图二、热敏电阻的工作原理半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻随温度变化而变化的性质进行温度的检测。按热敏电阻的阻值与温度关系不同可分为：正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）。⒈PTC的工作原理(PositiveTemperatureCoefficient)PTC热敏电阻通常采用钛酸盐（BaTiO3）系列材料（掺杂后），其特点是在某一温度Tc（居里点）附近，电阻率从负温度系数转变为正温度系数，且电阻率急剧增大3～7个数量级，可作温度开关使用，居里点可通过掺杂来控制。PTC热敏半导体具有多晶结构，各晶粒内部为半导电性区，晶界为高阻层区，外加电压时，电压大部分落在高阻的晶界层上，因而电子通过晶界的难易程度将对材料的导电性能起主要作用，可以利用晶界势垒模型来解释PTC材料的工作原理：把晶界看成存在一个电子势垒，当温度在居里点以下时，高阻的晶界具有较大的介电常数，势垒高度很小，电子很容易越过势垒，材料的电阻率小；当温度高于居里点时，晶格的介电常数急剧减小，势垒随之急剧增高，因而电子难以越过势垒，相应材料的电阻率上升，表现出正温度系数。⒉NTC的工作原理(NegativeTemperatureCoefficient)NTC热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物（主要用Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）在一定的烧结条件下形成半导体金属氧化物作为基体材料，它们常具有P型半导体的特性。在温度测量中，主要采用NTC材料。工作原理：对于具有P型半导体性质的NTC材料，在室温范围内可看作已全部电离，载流子浓度基本与温度无关，主要考虑迁移率与温度的关系，而迁移率随着温度的升高逐渐增大，使材料的电阻率逐渐减小，表现为负的温度系数。　)exp(0kTE　)exp(0kTERRTT⒊CTR热敏电阻(CriticalTemperatureResistor)CTR热敏电阻可以看做是NTC的特例，可用V、Ba、Sr、P等氧化物混合烧结制成。该类电阻器的电阻值在某特定温度处随温度升高而急剧降低3～4个数量级，即具有很大负温度系数，这个急剧变化的温度我们称为骤变温度。CTR热敏电阻也可作为温度开关使用。CTR热敏电阻的温度变化时，氧化物的晶格结构和组份常常有很大的变化，使其电阻率有大幅度的降低。⒈热敏电阻的温度特性（RT—T）12340601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC图3.2热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-PTC三、热敏电阻器主要特性⑴正电阻温度系数（PTC）热敏电阻的温度特性：其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如下图。10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2Ω图3.2PTC热敏电阻器的电阻—温度曲线T/ºC电阻/ΩTp1Tp2Tc=175ºCPTC热敏电阻的特点之一是它的居里点可以通过掺杂来控制。PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻—温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻—温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中RT、RT0——温度分别为T、T0时的电阻值；BP——正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：0exp0TTBRRPTT0lnln0TPTRTTBR以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。可见：正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数αtp，正好等于它的材料常数BP的值。lnRr1lnRr2BPβmRBP=tgβ=mR/mrT1T2lnRr0mr图3.3lnRT~T表示的PTC热敏电阻器电阻—温度曲线lnRrTPPTPTPTTtpBTTBRTTBRBdTdRR00expexp100对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数αtpRT、RT0——温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；BN——NTC热敏电阻的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450℃），都能利用该式，它仅是一个经验公式。⑵负电阻温度系数(NTC)热敏电阻的温度特性011exp0TTBRRNTTNTC的电阻—温度关系的一般数学表达式为：0ln11ln0TNTRTTBR如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图3.4。1051041031020-101030507085100120T/ºC电阻/Ω图3.4NTC热敏电阻器的电阻--温度曲线材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT–1/T表示负电阻温度系数热敏电阻—温度特性，在实际应用中比较方便。为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度（即T0=25℃），则NTC热敏电阻器的电阻—温度关系式：29811exp25TBRRNTRT/R25——BN关系如下表02550751001250.511.522.533.5(25ºC,1)图3.5RT/RT0--T特性曲线RT/R25T表3.1RT／R25～BN系数表RT／R25BNR50／R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0／R25R75／R25R-20／R25R150／R25R100／R25αβabcdUmU0I0ImU/VI/mA图3.6NTC热敏电阻的静态伏安特性⒉热敏电阻器的伏安特性（U—I）⑴负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态U—I曲线。O从图中看出，随着电阻两端电压电流的增大，NTC的伏安特性曲线发生了变化，并且出现负阻区。热敏电阻的自热有可能引起测量误差。NTC热敏电阻的伏安特性曲线可以这样理解：在开始oa段与普通电阻一样服从欧姆定律，表现为直线；随着电流增加，引起热敏电阻自热温升超过环境温度，热敏电阻的阻值下降，耗散功率增加，相应电压变化的较为缓慢，因此出现非线性正阻区ab段；当电流继续增加，其电压值达到最大Um时，若电流继续增加，热敏电阻自身加温剧烈，使电阻值减小的速度超过电流增加速度，因此热敏电阻的电压降随电流的增加反而降低，形成bcd段的负阻区。而当电流超过某一允许值时，热敏电阻将被烧坏。曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故，符合欧姆定律如oa段。当电压升高使热敏电阻器温度超过环境温度时，由于PTC效应材料电阻值逐渐增大，曲线开始弯曲斜率增大，如ab段。104103102101105Um10110210310010-1Im图3.7PTC热敏电阻器的静态伏安特性⑵正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性当电压增至Um时，电流达最大值Im；电压继续增加，由于温升引起电阻值增加的速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负，如bc段。abco⑴标称电阻R25（冷阻）标称电阻值是热敏电阻在25±0.2℃时的阻值。3、热敏电阻的基本参数⑵材料常数BN是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能∆E,具有BN=∆E／2k的函数关系，式中k为波尔兹曼常数。一般BN值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。⑶电阻温度系数（%/℃）热敏电阻的温度变化1℃时电阻值的变化率。⑷耗散系数H热敏电阻器温度变化1℃所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时,H值随之变化,其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。⑸时间常数τ热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2％所需的时间。它与热容量C和耗散系数H之间的关系：HC⑹最高工作温度Tmax热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度：T0—环境温度；PE—环境温度为T0时的额定功率；H—耗散系数⑺最低工作温度Tmin热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。⑻转变点温度Tc热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。HPTTE0max⑼额定功率PE热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。⑽测量功率P0热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1％时所消耗的功率⑾工作点电阻RG在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。tnHP10000⑿工作点耗散功率PG电阻值达到RG时所消耗的功率：UG——电阻器达到热平衡时的端电压。GGGRUP2⒀功率灵敏度KG热敏电阻器在工作点附近消耗功率lmW时所引起电阻的变化，即：在工作范围内，KG随环境温度的变化略有改变。⒁稳定性热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持原有特性的能力。它可用热敏电阻器的主要参数变化率来表示。最常用的是以电阻值的年变化率或对应的温度变化率来表示。KG＝R/P⒂热电阻值RH