温敏二极管及其特性

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温敏二极管是一种新型半导体温度敏感器件。它即不同于铂、铜等金属热电阻、热电偶,也不同于半导体热敏电阻。它集以上三种热敏元件的优点于一身,具有线性好、灵敏度高、量程宽、可互换、响应快、稳定性好、不需要冷端补偿、外型多样、价格低廉等特点。除此之外,还具备二极管特性,如单向导电性等。可广泛用于气体、液体及固体的温度测量与控制,也可用作可变温度系数的温度补偿器件,利用其耗散特性可进行非温度量,如热导、流量、风速、浓度、液位等检测。

工作机理

温敏二极管是根据PN结在一定的工作电流下,其正向电压与温度呈良好线性关系这一特性而制造的,特性方程为V\(_{FT}\)=V0-S\(_{T}\)式中VFT为正向电压;V\(_{0}\)为常数,与材料及工作电流有关;S为灵敏度;T为摄氏温度(℃)。

温敏二极管的工作电路主要有恒流源电路和恒压源电路两种,如图1所示。两种电路比较而言,采用恒压源电路时,V\(_{FT}\)—T特性的线性偏差更小一些。图2给出了辽宁省宽甸县永甸宏源微电子元器件厂生产的HW型温敏二极管的VFT—T特性。由图可见,V\(_{FT}\)与T之间具有良好的线性关系。在恒压源工作电路下,对于不同型号的温敏二极管,其VFT—T特性的最大线性偏差一般均在±0.3%左右。

图1
图1 🔍原图 (530×326)
图2
图2 🔍原图 (495×544)

基本特性

1.单向导电性 单向导电性是温敏二极管区别于其他温敏元器件的基本特征。根据这个特点可以实现某些特殊的检测方式,如多点矩阵排列检测。采用这种检测方式可以节省大量传输线,这对于多点远距离集中检测具有特别重要的意义。

2.灵敏度特性 温敏二极管的灵敏度S与工作电流I\(_{F}\)呈对数关系。IF增加,S缓慢下降。图3是HW4型温敏二极管的S—I\(_{F}\)特性。具有不同V0值温敏二极管的S—I\(_{F}\)特性大体相同。在实际使用中,可根据S—IF特性调整S,可以利用电路将S衰减或放大。温敏二极管的S—I\(_{F}\)特性,是它区别于其他温敏元器件的另一个特征。根据这个特性,可将温敏二极管作为一个可变温度系数的温度补偿器件使用,以实现对各种元器件、传感器等的温度补偿。

图3
图3 🔍原图 (451×718)

为了提高灵敏度,将多个PN结串联可制成温敏二极管串,如HW12、HW14等,其灵敏度可高达50mV/℃和10mV/℃等。

3.自热特性 由于温敏二极管自身耗损的功率P所转换的热量,使它的自身温度T\(_{J}\)高于环境温度T,这两个温度之差就是自热温升。自热温升主要取决于工作电流IF和环境温度T。因此,对于精密测温,为使自热温升足够小,I\(_{F}\)应取得小一些,尤其对于低温测量更应如此。一般来说,对在常温区(-50~+200℃),工作且V0较小(<1V)的温敏二极管,如HW4、HW13等,I\(_{F}\)可取100~500μA;对V0较大的温敏二极管及温敏二极管串,如HW11、HW12等,在常温区工作时,I\(_{F}\)可取10~50μA;用于低温测量的温敏二极管,IF取10μA为宜。对于测量精度要求不高以及检测非温度量的场合,可适当增加I\(_{F}\)。

温敏二极管具有良好的长期稳定性,一般年漂移在0.1℃左右。

为了适应各种测温场合的需要,将温敏二极管制成了多种不同的应用形状,如片形、圆柱形、帽形、螺钉形、探针形等。图4是它们的外型及尺寸图。(于士一)

图4
图4 🔍原图 (1042×492)