Измерительное преобразование температуры в электрический сигнал на основе использования полупроводникового р-п-перехода

Высокую чувствительность полупроводниковых преобразователей температуры в электрический сигнал при высокой линейности преобразования, соизмеримой с характеристиками термопар и металлических терморезисгоров, можно обеспечить за счет использования в качестве термоэлектрического преобразователя полупроводникового /?-/г-псрсхода.

Рис. 8.11. Схема р-п-перехода (а) и его вольт-амперная характеристика (б):" -электрон; о — дырка.

Электронно-дырочный переход (р-л-переход) — область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной п к дырочной р. Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями, например в объеме одного и того же полупроводника, легированного в одной части донорной примесью (р-область), а в другой акцепторной («-область).

Так как в /^-области концентрация дырок гораздо выше, чем в «- области, дырки из /^-области стремятся диффундировать в «-область, а электроны — в /^-область (рис. 8.11, а). В результате такого перехода зарядов возникает контактное электрическое поле, противодействующее дальнейшей диффузии электронов и дырок. Разность потенциалов, возникающая между областями из-за наличия контактного поля и называемая контактной разностью потенциалов, составляет обычно десятые доли вольта. Если приложить к /^-«-переходу внешнее электрическое поле, направление которого противоположно контактному (прямое смещение, положительный потенциал приложен к p-области), то через переход потечет электрический ток (прямой ток /_пр). Если приложить к /^-«-переходу внешнее электрическое поле, направление которого совпадает с контактным (обратное смещение, положительный потенциал приложен к «-области), то это приведет к повышению потенциального барьера. Ток через переход (обратный ток /_об) будет пренебрежимо мал (примерно в 10⁵— 10⁶ раз меньше прямого тока), а его значение практически не зависит от приложенного напряжения. На рис. 8.11, б приведена вольт-амперная характеристика ^-«-перехода — зависимость силы протекающего через переход электрического тока / от приложенного к переходу напряжения U. Область положительных значений напряжения U соответствует прямому смещению перехода.

Значение напряжения t/_np, приложенного к смещенному в прямом направлении переходу при некотором фиксированном прямом токе /_пр (рис. 8.11, б), зависит от температуры перехода 0 и с ее увеличением уменьшается. В достаточно широком диапазоне температур можно принять, что изменение напряжения на переходе Д{У"_Р прямо пропорционально изменению температуры ДО:

где ?_т — температурный коэффициент, В/°С.

Величина k_r является отрицательной, зависит от типа полупроводника, а ее ориентировочное значение составляет ~ 2,5 мВ/°С.

Достоинствами термоэлектрического преобразователя на основе /?-«-перехода являются более высокая чувствительность по сравнению с термопарой и терморезистором, отсутствие необходимости в отличие от термопары знать при измерении температуру опорного спая. При этом может быть обеспечена приемлемая линейность функции преобразова;

Рис. 8.12. Сравнение линейности функциональных зависимостей выходного сигнала от температуры для термоэлектрического преобразователя на основер-п-перехода (1), термопары (2), платинового терморезистора (3)

ния, соизмеримая с характеристиками термопар и металлических терморезисторов (рис. 8.12). В качестве недостатка следует отметить относительно малый диапазон измеряемых температур (обычно −50…+150 °С). Для термопар и металлических терморезисторов этот диапазон составляет −200…+2500 °С.