Полупроводниковые интегральные датчики температуры

Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Все известные полупроводниковые измерители температуры основаны на использовании в качестве преобразователей температуры в электрический сигнал либо полупроводниковых резисторов, либо полупроводниковых диодов и транзисторов.

Полупроводниковые резисторы являются самыми распространенными преобразователями температуры, выпускаемыми промышленностью. По материалу, исполь зуемому при создании полупроводниковых резисторов, они подразделяются на поликристаллические и монокристаллические резисторы. По значению температурного коэффициента сопротивления (ТКС) полупроводниковые резисторы можно разделить на два класса - приборы с отрицательным и положительным ТКС. Отрицательный ТКС имеют, как правильно, полупроводниковые резисторы, изготовленные на основе медно-марганцевых (типа ММТ) и кобальтомарганцевых (типа КМТ) оксидных полупроводников. Получение необходимых величин сопротивлений и ТКС достигается изменением процентного соотношения оксидов металлов в композиции при использовании метода совместного осаждения щелочью азотно-кислотных соединений марганца, кобальта, меди и прокаливания гидратов окислов. Для получения полупроводниковых резисторов исходный материал в виде порошка с органической связкой обрабатывается выдавливанием через мундштук или прессованием, по технологии, широко используемой в керамическом производстве. Такая технология позволяет обеспечить довольно низкие метрологические характеристики, так например, допустимое отклонение сопротивления от номинала у большинства типов резисторов составляет ±20%, а разброс ТКС для партии одного номинала составляет ±10%. Кроме того, особенностью таких полупроводниковых резисторов является нелинейная температурная характеристика. Поэтому данные полупроводниковые резисторы редко используются в приборах для измерения температуры и их область применения, как правильно, ограничивается системами терморегулирования и термозащиты.

Полупроводниковые резисторы на основе монокристаллических полупроводников, например, кремния, германия, карбида кремния, фосфира гелия, выполняются как с положительным, так и с отрицательным ТКС. Кремниевые, например, резисторы могут быть выполнены в виде слоя определенного типа проводимости в исходной кремниевой пластине противоположного типа проводимости, либо в виде узкого канала требуемого типа проводимости в пластине. Омические контакты создаются, например, путем химического осаждения никеля. Полупроводниковые резисторы на основе кремния (отечественные, например, СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-3Б и зарубежные, например, типа KTI-81) имеют более высокий ТКС и значительно меньшие габариты по сравнению с поликристаллическими резисторами и резисторами, выполненными из меди и пластины. Они обладают почти линейной зависимостью и могут быть изготовлены с высоким номинальным значением сопротивления (десятки кОм). Кремниевые резисторы могут быть выполнены с допускаемым отклонением от номинального сопротивления (1-2) %. Это достигается химическим, электро-

химическим травлением или лазерным выжиганием резисторного слоя на кремниевой пластине. Использование кремниевых резисторов для измерения температуры представляет особый интерес в случае массового применения, так как они значительно дешевле других аналогичных преобразователей температуры и имеют большой температурный коэффициент (до 1 %/K). Недостатками кремниевых резисторов по сравнению с их металлическими аналогами (медными, платиновыми резисторами) являются меньший диапазон измеряемых температур и значительная нелинейность температурной характеристики. Однако для определенных применений эти недостатки имеют второстепенное значение. Схема измерителя температуры, содержащего в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал кремниевый резистор типа KTI-81 с положительным ТКС, приведена на рис. 1 [1]

Рис. 1. Типовая измерительная схема, содержащая в качестве термопреобразователя резистор, например, типа KTI-81

Полупроводниковый резистор размещен в плече измерительного моста, состоящего из резисторов R4... R7. Измерительный мост питается напряжением 2,7 В, стабилизированным с помощью стабилитрона V1. Ток питания моста не превышает 1 мА во избежание возникновения заметных погрешностей из-за перегрева, обусловленного этим током. Чувствительность измерительного моста составляет 4 мВ/°с и повышается усилителем V3 до 50 мВ/°С на выходе. Все элементы схемы измерения температуры (рис. 1) могут быть выполнены с помощью известных методов полупроводниковой технологии в объеме и на поверхности пластинки кремния. Например, таким образом, фирма Analog Devices серийно изготавливает датчики температуры в виде монолитных интегральных схем типа AD22100, упрощенный принцип работы которых приведен на рис. 2.

+Е пит

Рис. 2. Упрощенная блок-схема датчика температуры типа AD2210 0 с аналоговым выходом Этот тип датчиков может работать в диапазоне температуры от минус 50°С до плюс 150°С. Точность измерения температуры не хуже, чем ±2%, и линейность не хуже, чем ±1% во всем измеряемом диапазоне. Температурный коэффициент выходного напряжения ^ых равен 22,5 мВ/°С. При напряжении питания

Eпит = +5 В выходное напряжение изменяется от +0,25 В (при температуре -50 С) до +4,75 В (при температуре +150°С). Использование диодных структур в качестве первичных преобразователей температу-

ры позволяет значительно улучшить линейность температурной характеристики полупроводникового датчика температуры по сравнения с кремниевым резистором. Это объясняется тем, что прямое падение напряжения на диоде при специальном его применении более линейно изменяется с изменением температуры, чем электрическое сопротивление кремниевого терморезистора. Действительно, если через диод в прямом направлении пропускается постоянный ток 1пр, то его связь с прямым напряжением и^ на p-n

переходе диода задается известным уравнением [2]:

{ Уит

^ пр кТ

пр обр

где k - постоянная Больцмана, ток через р-п переход.

q - заряд электрона, T - температура в Кельвинах, I

обратный

Если напряжение на p-n переходе достаточно велико, т.е.

кТ

ипр »— ,

9

то членом (-1) в экспоненте

можно пренебречь и из уравнения (1) можно получить выражение для ипр

(

пр

обр

У

Если бы 1т

поддерживался постоянным, а все остальные члены уравнения (2) ратуры, то напряжение на р-п переходе было бы прямо пропорционально члену

не зависели от темпе-

кТ

и следовательно,

температуре Т. В действительности, обратный ток через р-п переход включает компоненты, сильно зависящие от температуры, что нарушает пропорциональную зависимость напряжения ипр от температуры Т в уравнении (2) и не обеспечивает преимущества перед кремниевым резистором. Поэтому, при использовании диодов в качестве чувствительных элементов в интегральных датчиках температуры, усилия разработчиков были направлены на снижение влияния температурной зависимости обратного тока 1обр на зависимость напряжения иЛр от температуры. Например, использование вместо диодов транзисторных структур, но в диодном включении, что позволяло снизить влияние сопротивления базы диода на температурную зависимость напряжения Ц^, использование специального отбора транзисторов с одинаковыми значениями ипр и коэффициентом усиления по постоянному току [3], что позволяло обеспечивать взаимозаменяемость диодных чувствительных элементов, и других вариантов. Однако наиболее перспективным с точки зрения использования диодных чувствительных элементов и серийного изготовления полупроводниковых интегральных датчиков температуры оказался вариант, предположенный в работе [4]. Если через транзистор V в диодном включении (рис. 3) пропускать поочередно два различных, но постоянных по величине, тока 11 и 12 в прямом направлении по отношению к р-п переходу эмиттер-база (рис. 4), то принимая, что 12> 11>> 1обр, при токе через диод 1Прг и при температуре Т=Тг уравнение (2) можно переписать.

Имп. (“і

генера- V- ♦

тор тока 11пр

1

И 12

II

Рис. 3. Транзистор V в диодном включении в качестве элемента

Рис. 4. Диаграмма протекания токов Iи 1пр2 через диод 1пр, мА

ипр1 1)пр1 1)пр, В

Рис. 5. Вольтамперная характеристика диода и значение напряжений 1прі и 1Пр2, протекающим через диод

Таким образом, уравнение (2) будет выглядеть:

соответствующие прямым токам

тт кТ 1

ир =----------1п

п ч

прі

1 обр

Соответственно, при токе через диод Іпр

и при температуре Т=Т1 уравнение (2) перепишется

тт кТ

ипр 2 =----------!п

ч

Г,

1пр 2

1 обр

Измерение прямого тока через диод от значения 1пр1 до значения 1пр2 приведет к изменению напряжения на диоде (рис. 5) на величину:

Аипр.Т1 = ипр 2 ^пр1

1п

1пр 2 1пр1

Рассуждая аналогично для температуры Т=Т2, можно записать:

прТ2 = ипр2 - ипрі = кТ2  1п

Л

пр2 1^1

Если из уравнения (6) вычесть уравнение (5), то можно получить выражение, показывающее, как такое приращение прямого напряжения на диоде ЛОпр зависит от температуры (при условии Т2>Тх):

и = Аипр.тг - А^прТі = (Т2 - Ті у -  1п

4

щр

пр2

1прі

Уравнение (7) отличается от уравнения (2) тем, что в нем не содержатся члены, зависящие от температуры, и что токовое приращение прямого падения напряжения на диоде прямо пропорционально изменению температуры окружающей среды, не зависит от свойств полупроводникового материала и технологии изготовления транзистора. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) ЛОпр определяется

только электрическим режимом диода, т.е. значением

1п

пр 2 1 прі

а точнее отношением токов Іш

и Іт

Импульсный электрический режим протекания токов через диод, как следует из представленных выше рассуждений, легко заменить на электрический режим постоянных токов. Достаточно взять два одинаковых транзистора в диодном включении и пропускать одновременно в прямом направлении по отношению к р-п переходу эмиттер-база ток Іпрі через один диод и ток 1пр2 через другой диод, а напряжение АОпр снимать как разность между базами диодов (рис. 6).

Рис. 6. Схема чувствительного к температуре элемента на двух диодах с постоянным режимом про-

текания токов

прі

я

Е

т _____ пит

1 —

пр 2

я

Для схемы (рис. 6) уравнение (7) можно переписать в следующем виде:

ш„ ,{т,-т,(1.1,,(|| . ,8,

Однако, исполнение схемы чувствительного элемента, показанного на рис. 6 в интегральном варианте с заданными электрическими параметрами, обеспечивающими взаимозаменяемость чувствительного элемента, даже для современной технологии, представляет определенные трудности. Так, например, при создании больших интегральных схем геометрия элементов структуры обеспечивается с заданным разбросом их размеров, но электрические параметры элементов схемы, например, сопротивления диффузионных резисторов, можно обеспечить для разных партий схем с разбросом порядка ± (10^40) %.

Для обеспечения взаимозаменяемости чувствительного к температуре элемента (рис. 6), изготовленного с помощью полупроводниковой технологии, можно использовать лазерную подгонку величин резисторов Я2 и Я2, нанесенных на подложку, причем подложкой может служить и полупроводниковый кристалл, в котором сформированы транзисторные структуры. Следует отметить, что метод лазерной подгонки величин сопротивлений резисторов при изготовлении калиброванных датчиков широко используется как отечественными, так и зарубежными фирмами в настоящее время.

Другой вариант, позволяющий обеспечить приемлемую взаимозаменяемость чувствительного к температуре диодного элемента (рис. 6), определим как достижения полупроводниковой технологии в области обеспечения заданных размеров транзисторных структур с удовлетворительной точностью - это использование в схеме (рис. 6) вместо транзистора А2 многоэмиттерной транзисторной структуры. При этом значения сопротивлений резисторов Я2 и Я2 устанавливаются одинаковыми, хотя по величине эти сопротивления могут колебаться в пределах ±50%, но это изменение не будет отражаться на метрологических характеристиках и взаимозаменяемости чувствительного элемента (рис. 6) и позволяет устранить технологические трудности его изготовления в интегральном виде. Схемотехнические изменения, предлагаемые данным вариантом, не изменяют механизм преобразования, положенный в основу

І

пр2

и

работы чувствительного элемента (рис. 6) и определяемый уравнением (7). Действительно если переписать уравнение (7) для схемы (рис. 6) в виде:

(

AU„p =(Т2 -Т)• -• ln q

Jпр2 • $Э2 } пр 1 • $Э

' (Т 2 - Т, )• - • ln

q

J пр2 J прі

где Sэl и Sэ2 - площади эмиттерных p-n переходов транзисторов VI и V2 соответственно (поскольку транзисторы одинаковые в схеме рис. 6, то БЭ1=БЭ2)Г з прі и Зпр2 - плотность тока в эмиттере транзисторов VI и V2 соответственно.

Если в схеме (рис. 6) заменить транзистор V2 на п^миттєрную транзисторную структуру, в которой каждый единичный эмиттерный переход по площади равен эмиттерному переходу транзистора VI и

обеспечены условия протекания одинаковых по величине токов 1Щ

и In

то для такой схемы будут

действительны соотношения Ss2=n •Ssi и jnpi=jnp2 и уравнение (9) можно представить в виде:

AUпр = (Т2 -Т1 ) - lnI | = (Т2 -Т1 у * • ln(n) .

q V S3\ ) q

Предположения по практической реализации данного варианта диодного чувствительного элемента рассмотрены, например, в работе [5]. На рис. 7 приведена принципиальная схема интегрального полупроводникового датчика температуры с использованием многоэмиттерной транзисторной структуры.

Поскольку температурная чувствительность диодного элемента (рис. 7) порядка 0,2 мВ/град, то желательно его изготавливать и применять совместно с усилительным устройством V3. Схема чувствительного элемента (рис. 7) положена в основу серийно выпускаемого фирмой Texas Instruments датчика температуры типа STP - 35. В таблице 1 приведены параметры интегральных датчиков типа STP.

Рис. 7. Схема диодного чувствительного к температуре элемента с использованием многоэмиттерной транзисторной структуры, пригодной для использования в виде монолитной интегральной схемы Таблица 1.

Погрешность при 25°С, ЙТ, °С Температурный диапазон, °С Ток, мА Чувствительность, мВ/град Время срабатывания т, сек

STP-35A ±3 -4 0...+ 125 0,4.5 10 13

STP-35B ±2 -4 0...+ 125 0,4.5 10 13

STP-35C ±1 -4 0...+ 125 0,4.5 10 13

Другими интересными примерами использования диодного чувствительного элемента (рис.7) являются датчики температуры типа LM3 911, LM50, LM60, серийного выпускаемые фирмой National Semiconductor. На рис. 8 приведены температурные характеристики датчиков температуры LM50 и LM60.

-65 -55 -45 -35 -25 -1 5 -5 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 1 15 125 135 145 155

Температура, С

Рис. 8. Типовая зависимость U^ LM60 и LM50 от температуры при напряжении 10 В

Таким образом, из всех рассмотренных вариантов построения диодных интегральных датчиков наиболее перспективным оказался вариант (с точки зрения промышленного освоения и обеспечения взаимозаменяемости) использования диодного чувствительного элемента с многоэмиттерной транзисторной структурой, на основе которого серийно изготавливается большинство полупроводниковых интегральных датчиков температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Москва «Мир», 1989 г., 198 с.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М., «Энергия», 1967г.,

614 с.

3. Pat O'Neil, Carl Derrington. Transistors - a hot tip for accurate temperature sensing. Electronics, 1979, №21, pp 137-141.

4. Громов В.С.,Николаевский И. Ф. Использование входного сопротивления транзистора для измерения температуры коллекторного перехода. - В кн.: Полупроводниковые приборы и их применение. Под

ред. Я.А. Федотова. - М.: Сов. Радио, 1969, с. 251-259.

5. Gerard de Haan Gerard C.M. Meijer. An accurate small-range JC temperature transducer. IEEE Journal of solid-state circuits, vol. sc-15, no.6, desember 1980, pp 1089-1091.