半导体温度传感器的工作原理

半导体温度传感器的工作原理

半导体温度传感器的工作原理，生活中我们很多的电子设备都是需要用到传感器的，传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息，以下分享半导体温度传感器的工作原理。

半导体温度传感器的工作原理1

半导体温度传感器工作原理：

1、热电偶温度传感器工作原理

两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。

当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端，则回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。

2、红外温度传感器工作原理

在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm 的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。

SMTIR9901/02是一款现在市场上应用比较广的红外传感器，它是基于热电堆的硅基红外传感器。大量的热电偶堆集在底层的硅基上，底层上的高温接点和低温接点通过一层极薄的薄膜隔离它们的热量

高温接点上面的黑色吸收层将入射的放射线转化为热能，由热电效应可知，输出电压与放射线是成比例的，通常热电堆是使用BiSb和NiCr作为热电偶。

3、模拟温度传感器工作原理

AD590是一款电流输出型温度传感器，供电电压范围为3~30V，输出电流223μA~423μA，灵敏度为1μA/℃。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的'电压可作为输出电压。R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。

AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。

4、数字式温度传感器工作原理

它采用硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用PTAT结构，这种半导体结构具有精确的，与温度相关的良好输出特性。PTAT的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比与温度的关系如下式：DC=0.32+0.0047*t，t为摄氏度。

输出数字信号故与微处理器MCU兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。该款温度传感器因其特殊工艺，分辨率优于0.005K。测量温度范围-45到130℃，故广泛被用于高精度场合。

半导体温度传感器的工作原理2

一、热电阻温度传感器：

测温原理:热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即：Rt=Rt0[1+α（t-t0）] 式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为：Rt =AeB/t式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。

测温范围:金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠。半导体热敏电阻测温范围只有-50~300℃左右, 且互换性较差，非线性严重，但温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上）。

二、集成温度传感器：

集成温度传感器有可分为模拟式温度传感器和数字式温度传感器。

1.模拟式温度传感器

测温原理:将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，具有实际尺寸小、使用方便、灵敏度高、线性度好、响应速度快等 优点。

测温范围：LM135235335系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，是电压输出型温度传感器，工作特性类似于齐纳稳压管。

该系列器件灵敏度为10mV/K，具有小于1Ω的动态阻抗，工作电流范围从400μA到5mA，精度为1℃，LM135的温度范围为-55℃～+150℃，LM235的温度范围为-40℃～+125℃，LM335为-40℃~+100℃。

封装形式有TO-46、TO-92、SO-8。该器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。

2.数字式温度传感器

测温原理:将敏感元件、A/D转换单元、存储器等集成在一个芯片上，直接输出反应被测温度的数字信号，使用方便，但响应速度较慢（100ms数量级）。

测温范围：DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的世界上第一片支持“一线总线” 接口的数字式温度传感器，供电电压范围为3～5.5V，测温范围为-55℃～+125℃

可编程的9～12位分辨率，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，出厂设置默认为12位，在12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字。

三、热电偶温度传感器

测温原理:两种不同成分的导体（称为热电偶丝或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电动势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。

测温范围：常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

半导体温度传感器的工作原理3

测温传感器有哪些

热敏电阻传感器：是负温度系数热敏电阻的缩写。它是一种特殊类型的电阻器，其电阻会根据温度而变化。热敏电阻的输出由于其指数性质而呈非线性；但它可以根据其应用进行线性化。热敏电阻传感器有效 *** 作范围为-50至250 °下进行玻璃封装热敏电阻或150 °下标准热敏电阻。

测温传感器有哪些

电阻温度探测器：电阻温度检测器是测量非常精确的传感器之一。在电阻温度检测器中，电阻与温度成正比。该传感器由铂、镍和铜金属制成。它具有广泛的温度测量功能，可用于测量-270oC至+850oC范围内的温度。

RTD需要外部电流源才能正常工作。要使用RTD测量温度，必须将其连接在惠斯通电桥和恒流源中。测量电压输出以确定电阻。然后，可以通过给定RTD的线性电阻-温度关系推导出温度。

热电偶传感器是非常常见的接触型温度传感器。它们结构紧凑、价格低廉、使用简单，并能快速响应温度变化。

其由一个传感元件组成，该元件可以是玻璃或环氧树脂涂层，并且有2根电线，因此它们可以连接到电路。它们通过测量电流电阻的变化来测量温度。热敏电阻有NTC或PTC两种形式，通常成本较低。

半导体传感器：半导体传感器是以IC形式出现的设备。通常，这些传感器被称为IC温度传感器。电流输出温度传感器、电阻器输出温度传感器、电阻器输出硅温传感器、二极管温度传感器、数字输出温度传感器。

目前的半导体温度传感器在大约55°C至+150°C的工作范围内提供高线性度和高精度。

红外传感器是一种电子仪器，红外传感器是一种非接触式温度传感器。它们是光敏设备，可检测来自周围区域或物体的红外(IR)辐射以测量热量。这些传感器分为热红外传感器和量子红外传感器两类。

文章主要介绍了测温传感器有哪些，浏览全文可以了解到有多种类型的温度传感器适用于测量温度的应用，并提供不同的功能或规格。例如，温度传感器可以提供模拟或数字输出。

半导体原子规则排列成点阵状态。其最小单元叫作晶包，对锗来讲是小四面体，即金刚石结构。电子在晶体中为晶包所公有，形成能带结构，如图4-1-1所示。下面的能带称为价带，又称满带，平时被电子填满。中间是禁带（又称能隙）。上面是导带，平时没有电子（又称空带）。在价带以下还有更低能量的价带；在导带以上还有更高能量的导带。如果令Eg代表禁带宽度，Eg(金属)＜ Eg＜ Eg（绝缘体）。中间是半导体。在T＝0时，理想的半导体是无杂质的半导体，导带全空（无电子），价带全满，被电子充满，加上电压不导电，电阻率非常大。在T≠0时，热激发使价带电子跳到导带，电子都处在导带底层，空穴均处在价带上层，并且处于动平衡状态，激发的电子—空穴对数目等于复合电子—空穴对数目。这样的半导体叫作本征半导体。从能带模型看，产生电子—空穴对，破坏了一个原子的共价键，Eg就是该结合键的结合能：

式中　Ni——电子密度，与温度有关；Pi——空穴密度，与温度有关；K——波尔兹曼常数；T——绝对温度，°K；Eg——能隙（禁带宽度）；N ( T )——表示跃迁到某一状态的状态函数。

本征半导体：晶格结构完整，没有缺陷，没有杂质，电阻率极大，电子充满价带，绝对零度不导电。

本征半导体Si或Ge，掺杂少量的三价或五价元素，便改变了半导体的电性能。如五价的P、As加入到Si或Ge，P、As置换了Ge晶格点阵的Ge原子。因是五价，四个电子与周围Ge组成四组共价键，第五个电子与As结合不紧密，在热激发下跳到导带，留下正电荷在点阵上形成正电中心，这种杂质称为施主杂质。

如果掺杂少量三价B、Ga元素，去置换Si或Ge原子，它要从周围的Ge原子拉过来一个电子，组成四对共价键，即原来价带的一个电子跳入Ga固定能级形成负电中心，在价带中留下一个空穴，这种杂质称为受主杂质。施主杂质As给出一个电子，它一般靠近导带，也称为浅层杂质，距禁带0.03～0.05eV。受主杂质Ga接受一个电子，它一般靠近满带，也称为深层杂质。

单晶本身浓度为1022原子/cm3，这是本征半导体。杂质浓度为109～1010原子/cm3，为高纯锗作半导体探测器；杂质浓度为1011～1012原子/cm3，为特种半导体，作特种器件；杂质浓度为1012～1013原子/cm3，为一般半导体，作晶体管。

半导体分为N型半导体、P型半导体。N型半导体的电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体的电子是少数载流子，空穴是多数载流子。P型半导体与N型半导体结合在一起，接触面形成PN结。

1.载流子的寿命载流子寿命てe( h )越长越好，大约为300μs～1ms。对于一块完整的晶体，载流子迁移率与温度有关。当温度高时，晶格受热运动产生光学、声学振动，载流子在迁移过程中，可能发生碰撞而受阻力。反之亦然。载流子的迁移率μ与温度t关系曲线如图4-1-2所示。由于晶格点阵有空位，造成附近区点阵错乱，称为点缺陷；由于点阵错乱，引起点阵变形，称为线缺陷；面与面之间点阵错乱，即位错乱，引起的点阵畸变，称为面缺陷。由于上述三种缺陷产生了凸凹部分，使点阵的结合能发生改变，出现了能量的高低变化。能量低的地方被称为陷井。当载流子通过陷井时，把载流子陷进去，使载流子暂停一下，当得到适当机会后它再跃出。由于掺杂质后，施主杂质产生了正电荷中心，受主杂质产生了负电荷中心。有电荷中心就产生了库仑电场，当载流子经过库仑电场时，使其暂停一下，当得到适当机会，把它放出，这种电荷中心称为捕捉中心。当被电荷中心捕捉后，被进一步陷落于价带中，与价带中的一个空穴复合，使载流子消失，这种现象称为复合。载流子的寿命与陷井、捕捉、复合三种现象有很大关系。一般情况下，温度低迁移率大，载流子寿命长。电子—空穴对由产生到消失，所用时间称为载流子寿命：

式中　てe（h）——载流子寿命；μe（h）——载流子迁移率；λ——载流子的平均自由行程；?——受陷落截面；P——陷井密度。

对于厚度为1cm的耗尽层，由于载流子的损失，能量谱加宽0.1%。

2.载流子的平均自由行程在没有外界电场的情况下，电子—空穴对从产生到消失，所走的平均距离，称为载流子的平均自由行程。载流子的平均自由行程与陷井的密度、掺杂质的种类有关。陷井密度小，受陷落截面小，λ大。氧和铜在锗晶体中特别容易扩散。如果本征半导体在空气中暴露1min，就产生一个氧化层使表面造成破坏，导致漏电流增大。对于半导体，漏电流越小越好，漏电流与半导体制造工艺有很大关系。晶体表面清洁，漏电流就小，一般小于10-10A。

载流子的浓度随时间变化：

式中　N0exp——初始载流子密度；Nt——载流子随时间变化密度。

3.载流子的收集率当γ量子入射到本征区后，γ量子由于能量损失，便产生一定数量的电子—空穴对，在外界电场的作用下，被收集到阳极，产生电流脉冲，这种收集如果是完全的话，电流脉冲幅度达到极大值。收集载流子多少称为收集率。收集率大小与半导体制造工艺、材料、体积大小，本征区宽度有关；从本质上讲，还取决于载流子迁移率、迁移长度、复合效应、陷井、捕捉中心密度大小；另外还和外加电场强弱有关。

4.对半导体探测器的要求气体探测器：在电离室中产生一个电子—离子对，大约需要能量ε≈30eV；半导体探测器：在晶体中产生一个电子—空穴对，大约需要能量ε≈3eV；闪烁体探测器：在光电倍增管光阴极上，产生一个光电子，大约需要能量ε≈300eV。

半导体探测器产生一个电子—空穴对需要的能量ε越小，能量分辨率越高。产生一个电子—空穴对需要能量/γ光子损耗能量= 0.3～0.35，γ光子损耗的能量主要消耗于晶格的光学、声学振动中。

5.载流子的漂移速度原子在外加电场作用下，在晶体内产生区域电场，电场有固定指向，电子—空穴对沿电场漂移，漂移速度ve( h)：

式中　μe（h）——电子一空穴对漂移率或漂移本领，也叫载流子迁移率。

在室温情况下，电子的漂移率μe=1300cm2/(V?s)，空穴的漂移率μ（h）=500cm2/（V?s）；在不同电场下，μe（h）不是常数，在1000～2000V/cm时，μe（h）达到极大值，为1×107～2×107cm2/(V?s)。

μe（h）是温度T的函数，温度为0时，μe（h）达到极大值，因为0时晶格无振动，电子—空穴对不受任何碰撞，运动无阻力。晶体的任何参杂和晶格的不完整性都会引起μe （h）的减小。

材料的电阻率表示为：

用式（4-1-4）计算的Pi与实际测得的Pi相差极大，因为在实际上没有真正无杂质的纯晶体。

电子密度Ni与温度关系较大，随温度变化快。Ni与μe（h）比较，μe（h）随温度变化较慢一些：

6.几种材料的禁带度

禁带宽度越宽，晶体的使用温度越高，0.66eV（低温）→1.45eV（室温）→2.8eV（高温）。锗原子序数为32，碘化钠原子序数为11、53，因此两个探测器探测效率相差不多。

7.Si和Ge的基本特性参数

8.产生一个电子—空穴对需要的能量/γ量子损耗能量≈0.3～0.35的原因γ量子入射到本征区，它并不是只与弗米表面起作用，还与满带下面能量更低的带起作用，交给满带能量，是随机性的。这样激发出来的电子，其能量有高、有低。这样一来，能量高的就可以跳到导带，还有的跳到更高导带上去。这时它是不稳定的，放出能量回到低能导带上；处在低能价带上的空穴也是不稳定的，它也要逐渐回到价带的最表层(空穴移动是通过上一层满带的电子来补偿的)，同时空穴也将放出能量。电子与空穴放出的能量大部分交给晶格，能量低的产生光学振动，能量高一点的作声学振动，所以点阵总是处于一种振动状态，γ量子损耗的能量不是完全都用于产生电子—空穴对，而是一大部分用于产生各种点阵的振动。产生一个电子—空穴对需要的能量/γ量子损耗能量≈0.3～0.35。产生一个电子—空穴对损耗的能量比禁带宽度大好几倍。

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