微传感器与微执行器4-1

图4－7 硅温度传感器结构


第四节 PN结温度传感器
利用 PN 结与温度的关系实现对温度的传感。有 温敏二极管和温敏晶体管等温度传感器。 一、PN结正向电压与温度的关系 PN结的I－V关系如下:

J (
qDn n p 0 Ln
qV KT


qV qV qDP pn 0 )(e KT 1) J S (e KT 1) LP
和 从式中可知，迁移率与温度的关系如下：
S T

3/ 2
,T
, S
; i T
,T
i
式中 A 、 B是常数， M* 是载流子有效质量， Ni 是电 离杂质浓度，T为绝对温度。

而实际的半导体迁移率可表示为：
1



1
s

1
i
（ 4－ 5 ）
代入之后表达式为：
q 1 * 3/ 2 3/ 2 m AT BNi / T
-100
200

图4－5 硅电阻率与温度关系曲线

图4－6硅中电子和空穴与杂质浓度及温度的关系
显然，杂质浓度越高，进入本征导电占优势 的温度也就越高；材料的禁带宽度越大，同一温 度下的本征载流子浓度就越低，进入本征导电的 温度就越高。温度高到本征导电起主要作用时， 一般器件就不能正常工作，这就是器件的最高工 作温度。锗器件的最高工作温度为 100 度，硅为 200度，砷化镓可达450度。 对于图4－6给出的载流子迁移率与杂质浓度 的关系曲线，可以知道载流子浓度增加，迁移率 下降。而对照两张图表的迁移率可以看出，电子 的迁移率明显大于空穴的迁移率。这也是在许多 半导体器件的设计中，为什么要选用 N 型材料的 依据。
(4－8)
正偏时 e
远大于1，上式简化为：
qV KT
(4－10) 上式表明，当电流密度 J 保持不变时， pn 结的正向压 降VF与温度T成正比。
J JSe
KT J VF ln( ) q JS （4－9）
对于P－N+结，反向饱和电流Js可以表示成： qDn n po Dn ni2 qDn JS q( ) ( ) C T 3e Eg 0 / kT Ln Ln N A Ln N A (4－11) 3 Eg 0 / kT J S 0 T e 将（4－10）式对温度进行求导，可得到： VF k J F kT 1 dJ S (4－12) ( J F C ) ln T q J S q J S dT


（1）迁移率与温度的关系
半导体中载流子的迁移率与载流子的散射机理 有关。对于锗、硅等半导体材料， 主要散射机构是 声学波散射（晶格散射）和电离杂质散射。声学波 散射迁移率μs和电离杂质迁移率μi 可表示为：
q T 3/ 2 i * m BNi
3/2
q 1 s * m AT 3/ 2

图4-1
半导体温敏传感器，以灵敏度高、体积小、 响应速度快、成本低、容易功能化集成化 等特点，得到广泛应用。半导体温度传感 器的主要缺点是使用的温度范围较小。 热敏电阻器、PN结、集成式温度传感器等
Байду номын сангаас


第二节 热敏电阻器
热敏电阻器是电阻值随温度变化的一类常用传感 器，其基本物理特性分为两种： （ 1 ）负温度系数 NTC 热敏电阻，其阻值随温度 上升呈指数下降； （ 2 ）正温度系数 PTC 热敏电阻，其阻值随温度 上升呈非线性增大；
第四章 热传感器与执行器
本章内容：简单介绍温度传感器的分类以 及电阻式温度传感器的基本原理，然后以 半导体温敏二极管、晶体管和集成电路为 主要对象，介绍半导体温度传感器的基本 结构、原理和温度特性，最后简单介绍半 导体制冷器。
第一节

温敏传感器的分类
定义：温度传感器就是利用金属、半导 体等材料的热敏特性或者 PN 结正向电压 随温度变化的特性制成的温度敏感器件。 用于制造温敏传感器的材料有导体、 半导体、电介质、磁性材料、有机高分子 材料等。
Eg 0 J S 0Te
Eg 0/ kT
(4-14) E 3 g0 2 T Tk

将上两式代入（4－12），得到：
VF T

Eg 0 VF E VF 3k q g0 (JF C) T q qT T
(4-15)

由此可见， VF 随温度的变化率与 PN 结上的电压成正比，与 绝对温度成反比。温度上升，VF下降，VF－T呈线性关系。 在室温附近，硅的 PN 结正向电压随温度变化率约为－ 2mV/k，锗的正向电压变化率为－1mV。
温度传感器可以分成接触式热敏传感器和非接 触式热敏传感器两大类。 接触式热敏传感器包括：热敏电阻类如半导体 陶瓷热敏电阻、铂电阻、铜电阻等；PN结热敏传 感器如热敏二极管、热敏晶体管、集成电路温度 传感器等。其它如热电偶，由不同金属丝组成的 温差电偶。 非接触式热敏传感器：MOS场效应红外探测器、 红外吸收型温度传感器，光纤温度计等。 各种类型的温敏传感器分类见图4－1中的温度 传感器分类。


一、 NTC负温度系数热敏电阻
负温度系数热敏电阻阻值随温度上升而下降，主要 以氧化镍、氧化锆、氧化锰等金属氧化物成分经混合， 成型，烧结形成金属氧化物半导体热敏电阻。 工作机理：类似半导体载流子浓度与温度的关系。 温度很低时，大部分载流子被周期性的晶格势阱俘获， 此时电阻很大。当温度升高时，被激发到导带的载流 子数目增多，导致半导体内载流子浓度和迁移率发生 变化，引起电阻变化。热敏电阻的温度特性： E B exp( ) exp ( ) 2 kT T (4－1) B B B R R exp( ) R exp( ) (4－2) T T T
（ 4－ 6 ）
低温时，载流子迁移率主要受电离杂质散射影响， T上升，μi 上升，μ增大，电阻率下降；较高温度时 晶格散射起主要作用，T上升， μs下降， μ下降， 电阻率上升。
（2）电阻率与温度的关系
a.对于本征半导体，电阻率主要由本征载流
子 浓度ni决定。在室温附近，温度每增加 8 度，硅 的 ni 就增加一倍，电阻率降低一半；对于锗材料， 温度每增加12度，本征浓度增加一倍，电阻率降低 一半。因此，在室温附近，本征半导体电阻率随温 度增加而单调下降。
讨论：（ 1 ）当发射结正偏，集电结反偏时，集电极电 流可近似表示为： qVbe / kT IC I S e （4－17） 两边区对数，得到： KT IC Vbe ln( ) (4－18) q IS 由上式可知，当Ic恒定时，Vbe与T呈线性关系。其温度 变化率为： Eg 0 / q Vbe（4－19） Vbe k IC kT 1 dI S ln T q IS q I S dT T

二、硅温度传感器的结构和制作工艺 （一）硅温度传感器的结构
用N型硅半导体材料，制作一个利用硅体电阻随 温度变化特性的硅温度传感器。具体结构是在N型半 导体上方特定区域进行 N+ 扩散，引出欧姆接触电极， 在衬底用欧姆接触引出另一个电极（图4－7）。 硅温度传感器的制作工艺流程：对 N型硅抛光片 进行热氧化，然后光刻氧化膜形成直径约 40 微米的 N+扩散区，通过磷扩形成 N+区，经蒸铝或银形成上 下电极，便制成硅温度传感器。 传感器体电阻的大小与硅衬底材料的电阻率有 关，与 N+ 区扩散深度有关。一般控制传感器电阻值 在1K左右。


a

式中R、Rα、R∞分别为任意温度、基准温度和极限温度时的电 阻值。 △E为杂质在半导体中的电离能，B= 1000~5000K为特 征常数(B=△E /2k)。对上式微分可以到热敏电阻的温度系数α ：

dR B 2 dT T
a

(4－3)
图4－3(a) NTC热敏电阻器的温度特性和V-I 特性
NTC热敏电阻的I—V特性： 小电流时，Rt呈欧姆特性；较大电流时因Rt自 身发热使Rt下降，呈负温度特性和负阻特性。

二．PTC正温度系数热敏电阻 以钛酸钡类烧结体为基体，掺入少量稀土元素 （如二氧化钇等）控制原子价，使其成为多晶半 导体。 导电机理：在低温时，晶粒间的电子势随温度 升高而升高，导致电子迁移率下降，使电阻随温 度升高而增大。当温度升高到居里温度以上时， 晶粒间界处的电子势垒突然增高，电子迁移率迅 速下降，热敏电阻的阻值急剧增大。
（2）当集电结零偏（Vbc＝0或bc短接）时， qVbe / kT IC I S (e 1) （4－20） Vbe 与温度的关系同二极管相仿，硅器件的 Vbe 随温度 的变化也为－2mV/℃。


三、PN结温度传感器的结构、工艺
用于制作温敏二极管的半导体材料主要有锗、 硅、砷化镓、碳化硅等。 国产 2DWM 型温敏二极管采用掺硼 P 型电阻 率约 1 欧姆的硅单晶，经氧化、光刻、在 1150 度 高 温 扩 磷 2 小 时 ， 形 成 PN 结 ； 再 经 减 薄 至 0 ． 2mm ，经轻微腐蚀后，进行化学镀镍，并在 650度下真空烧结5分钟，划片、用杜美丝或镍丝 作引线，用铅锡软焊料在 450~500 度下烧结形成 可靠的焊接，对管芯涂上保护材料经封装而成。

b.对于杂质半导体，既有杂质电离和本征激
发两种因素， 又有电离杂质散射和晶格散射两种机 构，因此电阻率随温度的变化关系更为复杂。当硅 的杂质浓度一定时，电阻率与温度的关系如图4－5 所示。

图4－6给出硅中电子和空穴迁移率与杂质浓度 及温度的关系。
AB 段：温度低于－ 100 度，本征激发可以 忽略，载流子主要由电离杂质提供，它随温度 升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移 率也随温度升高而增大，所以电阻率随温度升 高而下降。 BC 段：温度继续升高到－ 100 度～ 200 度范 围，杂质已经全部电离，本征激发还不很明显， 载流子基本不随温度变化，晶格振动散射上升 为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，所以 电阻率随温度升高而增大。 C段：温度继续升高，本征激发很快增加， 大量本征载流子的产生远远超过迁移率减少对 电阻率的影响。这时，本征激发成为主要因素， 杂质半导体的电阻率将随温度的上升而急剧下 降，表现出同本征半导体相似的特性。