Кремниевый датчик температуры запрещенной зоны

Температура запрещенной зоны кремния Датчик температуры - чрезвычайно распространенная форма датчика температуры (термометр ), используемая в электронном оборудовании. Его главное преимущество состоит в том, что он может быть включен в кремниевую интегральную схему по очень низкой цене. Принцип действия датчика заключается в том, что прямое напряжение кремниевого диода, который может быть переходом база-эмиттер транзистора с биполярным переходом (BJT), зависит от температуры согласно следующему уравнению:

$VBE\; =\; VG\; 0\; (1\; -\; TT\; 0)\; +\; VBE\; 0\; (TT\; 0)\; +\; (nk\; T\; q)\; ln\; \; (T\; 0\; T)\; +\; (k\; T\; q)\; пер\; \; (ICIC\; 0)\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{BE\}\; =\; V\_\; \{G0\}\; \backslash \; left\; (1\; -\; \{\backslash \; frac\; \{T\}\; \{T\_\; \{0\}\}\}\; \backslash \; right)\; +\; V\_\; \{BE0\}\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{T\}\; \{T\_\; \{0\}\}\}\; \backslash \; right)\; +\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{nkT\}\; \{q\}\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; ln\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{T\_\; \{0\}\}\; \{T\}\}\; \backslash \; right)\; +\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{kT\}\; \{q\}\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; ln\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{I\_\; \{C\}\}\; \{I\_\; \{C0\}\}\}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

где

T = температура в кельвинах,

T0= эталонная температура,

VG0= ширина запрещенной зоны напряжение при абсолютном нуле,

VBE0 = напряжение перехода при температуре T 0 и ток I C0,

k = постоянная Больцмана,

q = заряд на электроне,

n = константа, зависящая от устройства.

Путем сравнения напряжений двух переходов при одинаковой температуре, но при двух различные токи, I C1 и I C2, многие из переменных в приведенном выше уравнении могут быть исключены, что приводит к соотношению:

$\Delta \; VBE\; =\; k\; T\; q\; \cdot \; ln\; \; (IC\; 1\; IC\; 2)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; V\_\; \{BE\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{kT\}\; \{q\}\}\; \backslash \; cdot\; \backslash \; ln\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{I\_\; \{C1\}\}\; \{I\_\; \{C2\}\}\}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

Обратите внимание, что напряжение перехода является функцией плотности тока, т. е. тока / площади перехода, и аналогичное выходное напряжение может быть получено при использовании двух переходов при одном и том же токе, если один имеет другой область к другому.

Схема, которая заставляет I C1 и I C2 иметь фиксированное отношение N: 1, дает соотношение:

$\Delta \; VBE\; =\; k\; T\; q\; \cdot \; ln\; \; (N)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; V\_\; \{BE\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{kT\}\; \{q\}\}\; \backslash \; cdot\; \backslash \; ln\; \backslash \; left\; (N\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

Электронная схема, такая как Эталон запрещенной зоны Brokaw, который измеряет ΔV BE, поэтому может использоваться для расчета температуры диода. Результат остается в силе примерно до 200–250 ° C, когда токи утечки становятся достаточно большими, чтобы исказить измерение. Выше этих температур вместо кремния можно использовать такие материалы, как карбид кремния.

Разность напряжений между двумя pn переходами (например, диодами ), работающих при разной плотности тока, составляет p пропорционально to absolute t температура (PTAT).

Цепи PTAT, использующие транзисторы BJT или CMOS, широко используются в датчиках температуры (где мы хотим, чтобы выходной сигнал изменялся в зависимости от температуры), а также в опорных напряжениях запрещенной зоны и других схемах температурной компенсации (где мы хотим того же

Если высокая точность не требуется, достаточно смещать диод любым постоянным малым током и использовать его тепловой коэффициент −2 мВ / ˚C для расчета температуры, однако это требует калибровки для каждый тип диода. Этот метод распространен в монолитных датчиках температуры.

• R. Дж. Видлар (январь 1967 г.). «Точное выражение для теплового изменения напряжения базы эмиттера биполярных транзисторов». Труды IEEE. 55 (1): 96–97. doi : 10.1109 / PROC.1967.5396.

• Теория и практические методы измерения температуры, Analog Devices
• Прецизионные монолитные датчики температуры, TI (ранее National Semiconductor)