16.2 Применение полупроводникового диода

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Рассматривается характеристика изменения обратных токов диода от Т.

При измерении температуры с помощью полупроводниковых диодов (ПД) используют температурные зависимость либо обратного тока p-n – перехода (I_обр), либо прямого падения напряжения на p-n – переходе (U_обр). Обратный ток диода складывается из трех составляющих: тока утечки I_ут, тока генерации, обусловленного регенерацией и рекомбинацией носителей в области p-n – перехода (I_ген) и теплового тока I₀.

Ток утечки определяется поверхностными энергическими состояниями и слабо зависит от температуры. Его уровень определяет обратное напряжение p-n – перехода. Ток генерации зависит и от обратного напряжения p-n – перехода, и от его температуры. Тепловой ток практически не зависит от обратного напряжения и полностью определяется температурой p-n – перехода. Этот ток практически для всех диодов определяется выражением I₀ =qVn_i²/N_Б , где q – заряд электрона; V – объем полупроводникового кристалла, в котором генерируемые носители заряда участвуют в образовании теплового тока; n_i – собственная концентрация носителей заряда материала полупроводника;  - время жизни основных носителей заряда; N_Б – концентрация основных носителей заряда в области базы.

П ри высоких температурах I_обр I₀=Nexp(- ) , где N – постоянная, мало зависящая от температуры; E_q – ширина запрещенной зоны полупроводника; U_T – константа, равная 0,5 … 1; k – постоянная Больцмана.

Относительные изменения I_обр диодов от температуры приведены на рис. 16.1, где 1 – германиевый сплавно-диффузионный переход;

2 – германиевый сплавный переход; 3 – кремниевый диффузионный переход.

3. Определение температурного коэффициента

НАПРЯЖЕНИЯ ДИОДА

П рямое падение напряжения на p-n – переходе может быть определено из выражения для ВАХ идеального p-n – перехода .

Отсюда ,

где k – постоянная, определяемая типом составляющей тока диода. Реальная величина ТКН прямого падения напряжения на диоде лежит в диапозоне от –1 до –3,5 мВ/⁰С. На рис. 16.2 приведены зависимости U_пр= (Т, ⁰С, I_пр) для германиевого сплавного диода.

Пренебрегая падением напряжения на омическом сопротивлении диода, можно полагать, что U_д  U_пр . Тогда для диода, как датчика температуры, можно записать U_д(Т,⁰С)= U_д0 + ТКН(Т_д – Т₀), где U_д0 – падение напряжения на диоде при Т₀; Т_д – измеряемая температура.

3. Применение биполярного транзистора для измерения температуры

И спользование биполярных транзисторов позволяет значительно улучшить характеристики теромопреобразователей. 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. Для схемы с ОБ n-p-n–транзистора при заданном токе эмиттера температурный коэффициент коллекторного тока практически постоянен до температуры 80 – 100 ⁰С и 120 – 150 ⁰С 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 I₀ и R_к .

На рис. 16.3 приведены экспериментальные зависимости I_к =  (Т,⁰С), полученные для транзисторов разного типа при различных значениях R_к.