CN113884203B - 半导体真空二极管温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体真空二极管温度传感器，具有两个半径不同的真空沟道半导体二极管D1、D2，另有两个相同的晶体管T1、T2提供相同电流的电流源；T1、T2的基极相连，T1、T2的发射极相连，T1的集电极与D1的正极相连，T2的集电极与D2的正极相连；D1与D2的负极相连并接地，D1与D2的正极分别依次连接电压跟随单元、电压反向单元、电压均方根单元；两个电压均方根单元之间采用电阻R4连接，其两端电压Uout。本发明的二极管感测的环境温度T与Uout成正比例关系，而且测量或计算精度高。

Description

半导体真空二极管温度传感器

技术领域

本发明提供了一种温度传感器及其内部电路图。

背景技术

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

传统半导体温度传感器，比如以基于CMOS工艺的双极型晶体管为感温元件的温度传感器，已经实现大规模商用。但此类器件感温元件由于电流增益变化、器件尺寸失配和工艺离散度等原因，其测量精度有限(通常误差＞0.1℃)。

然而，真空电子器件中载流子传输介质为真空，相比于以半导体材料作为载流子传输介质的传统半导体器件，有着先天优势。电子在真空中弹道传输，不与晶格发生散射，电子在传输过程中不发生载流子激发、吸收等物理过程，以及导电通道的导电能力不受半导体材料掺杂浓度等因素影响。因此，真空电子器件从原理上来说，更有利于实现高性能。

申请号为201980037353X的发明公开的一种温度传感器包括：具有特定比率的第一二极管和第二二极管，第一二极管连接在负电源电压与设置为用于PTAT电压压降的第一电阻器(R1)之间；动态匹配电流源阵列，其采用动态元件匹配控制器；第一电阻器，其连接在第一二极管与该阵列的第一输入端之间；所述第二二极管，其连接在负电源电压与该阵列的第二输入端之间。该发明的电路复杂，电子元件多，故障率高，测量精度低。

本申请人申请的申请号为2021105138304的发明公开了一种半导体真空二极管，从上至下为电极一、介质层和电极二，真空通道贯穿电极一和介质层。通常电极一为功函数较低的材料，电极二为重掺杂的硅基底。该发明可作本新发明的一种电子元件而获得具体的应用，本文中将其定义为：真空沟道半导体二极管。

发明内容

发明目的：

提供一种能够精确测量温度、且温度与电压具有线性变化规律的半导体真空二极管温度传感器。

技术方案：

本发明提出的半导体真空二极管传感器，具有两个半径不同的真空沟道半导体二极管D1、D2，采用电路一、电路二、电路三、电路四的元器件连接结构。

当给二极管施加低压(低于1V工作于空间电荷限制流机制，高于14V会引起大量的场致发射电流，这两种情况下电压或电流与温度几乎无关)的低压偏压时，在电极一和介质层界面靠近电极一侧会形成电荷聚集，形成准二维电子气，靠近真空通道的电子受到内部其他电子的库伦排斥力作用，很容易克服表面势垒而形成电子发射。电子发射规律遵循加速场下的热电子发射规律，即肖特基发射。此时的二极管的电压(电流)与温度相关，可以实现温度探测。

电路一：另有两个相同的晶体管T1、T2作为提供相同的电流的两个电流源；T1、T2的基极(栅极)相连，其电位为Vg，T1、T2的发射极相连，其电位为VDD；T1的集电极与D1的正极相连，其电位为U0；T2的集电极与D2的正极相连，其电位为U1；D1与D2的负极相连，并接地。

T1的集电极同时与电压跟随器1中的正极相连，作为输入端1；

T2的集电极同时与电压跟随器2中的正极相连，作为输入端2；

电压跟随器1的输出端1(其电位为U2)与电压跟随器2的输出端2(其电位为U3)通过电阻R4相连，R4两端的电压为Uout。

所述的电压跟随器(或称电压跟随单元)是用一个三极管构成的共集电路，共集电路是输入高阻抗，输出低阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点，在电路中起阻抗匹配的作用。

真空沟道半导体二极管D1和D2器件电流发射规律满足肖特基发射规律，Ig I与U^{1 /2}成正变关系；它们的电流I和电压U满足如下关系：

其中，I₁和I₂是两个真空二极管中的电流，β是与阴极材料和几何尺寸相关的常数，I₀₁和I₀₂是零场电流，T是真空二极管的温度。

在上述公式中I₁＝I₂，I₀₁＝ρ·I₀₂，ρ是D1和D2真空沟道半径比，因此由公式(1)和(2)可以得到以下关系，

温度T和呈正比关系。而此电路中的R4两端电压Uout＝U3-U2＝U1-U0；

Uout或其他电压与T显然都不是线性关系，不是PTAT电压(PTAT电压，指在低电源电压且与绝对温度成正比的基准电路电压)；可见在电路一中，T虽可以计算获得，但与电压或电压降无线性关系，不够直观。

电路二：如果电压跟随单元1仅仅与电压反向单元1连接，电压跟随单元2仅仅与电压反向单元2连接后，再分别连接到电阻R4两端，则类似与上述电路一，R4两端的电压与二极管的温度T之间仍然不是线性关系，没有必要讨论。

同相器单元指输入高电平时输出高电平，输入低电平时输出低电平，用来输出正压。反相器单元指的是当输入高电平时输出低电平，输入低电平时输出高电平，用来输出负压。

电路三：考虑到电压均方根单元能够提供开方的数学关系式。

所述的均方根单元或称平方根运算电路，在直流电路中，均方根电压或电流的定义很简单。但在交流电路中，其定义就较为复杂，要得出均方根(rms)值需要对表示AC波形的函数执行三个数学操作：(1)计算波形函数的平方值；(2)对第一步得到的函数求时间平均值；(3)求第二步得到的函数的平方根。

如果，在上述电路1基础上，在电压跟随单元1的输出端直接连接到电压均方根单元1的负极，电压跟随单元2的输出端直接连接到电压均方根单元2的负极；电压均方根单元1的输出端通过电阻R4电压均方根单元2的输出端相连，此时电阻R₄上的分压Uout。

由于电压均方根单元的输入端需要输入负电位，而电压跟随单元输出的是正向电压，所以这样的电路结构不能让均方根单元工作，因此不能得到温度随电压变化的关系式，不能制成有效的传感器。

电路四：在电压跟随单元1与电压均方根单元1之间连接电压反向单元1；其中电压反向单元1的负极通过电阻R1与电压跟随单元1的输出端相连，反向单元1的负极再通过阻值相同的另一R1与反向单元1的输出端相连，反向单元1的正极接地。

在电压跟随单元2与电压均方根单元2之间连接电压反向单元2；其中电压反向单元2的负极通过电阻R1与电压跟随单元2的输出端相连，反向单元2的负极再通过阻值相同的另一R1与反向单元2的输出端相连，反向单元2的正极接地。

接着，电压反向单元1的输出端通过电阻R2与电压均方根单元1的负极相连，电压均方根单元1的负极通过电阻R3与均方根支路相连，电压均方根单元1的正极接地。

电压反向单元2的输出端通过电阻R2与电压均方根单元2的负极相连，电压均方根单元2的负极通过电阻R3与均方根支路相连，电压均方根单元2的正极接地。

然后，电压均方根单元1的输出端通过电阻R4与电压均方根单元2的输出端相连，电压均方根单元1的输出电位U₄和电压均方根单元2的输出电位U₅，通过下述计算过程可知，此时电阻R₄上的分压Uout即为PTAT电压。

上述D1和D2的正极分压先经过电压跟随器单元，接着经过电压反相器单元，最后经过电压均方根单元，可得到以下关系式：

U₂＝-U₀；U₃＝-U₁；

U_out＝U₅-U₄；

其中K是玻尔兹曼常数，R₂和R₃是两个匹配电阻。根据公式(4)，可以得到以下关系式，

因此，电阻R₄上分压Uout同样和呈正比关系，将公式(5)代入(3)，得到，

因此，电阻R₄上分压Uout即为PTAT电压，通过监测Uout得到二极管探测的环境温度。

本发明中，进一步优选：

作为测温元件的真空晶体管D1和D2测温范围受到真空沟道中电流密度的限制，若D1和D2真空沟道半径相差过大，其测温范围错位则越大，两者测温范围交集(即整个温度传感器电路的测温范围也越小)，因此，真空晶体管DI和D2面积相差不宜过大，但也不能相等，否则电路对称测量不了；优选

温度传感器灵敏度受到R2/R3的调制，其比值越小，温度传感器灵敏度越高，两者的电阻值可以相差大一些，以提高精密度，优选甚至/>精度还可提高一个数量级；当然太低的比值也没有必要，因为需要兼顾其它电子元件的成本与精度关系的因素。

有益效果：

现有的半导体温度传感器的感温元件通常为传统半导体器件，例如双极型晶体管，电子在半导体材料的导电通道中传输，器件特性受到导电材料的掺杂浓度、机械应力等因素的影响，电子在传输过程中会发生载流子激发、捕获等过程，器件特性均一性难以得到保证，因此，此类传统半导体温度传感器的测量精度有限。为了提高测量精度，通常会额外增加其他校准电路单元，制备成本较高，且工艺复杂。

本发明提出的基于真空二极管的温度传感器，其导电通道为真空材料，影响器件性能稳定性的因素较少，测量精度高(测量精度＜0.1℃)。并采用合适的电路连接，使得二极管感测的环境温度与最终输出的电位差(R4两端的电压)构成正比例关系，可以通过测量电压值简单换算或者预测温度值。同时，由于没有电磁性元器件，本申请的电路在高频测量、高电磁辐射环境下几乎不受影响，在这些领域应用于测量温度更具优势。

附图说明

图1是本发明的一种二极管的结构示意图；图2是本发明的电路一的一种连接结构示意图；图3是本发明的电路三的一种连接结构示意图；图4是本发明的电路四的一种连接结构示意图；图5是本发明中二极管的一种电压电流关系示意图。

图中，1-电压跟随器单元1；2-电压跟随器单元2；3-电压反相器单元1；4-电压反相器单元4；5-电压均方根单元1；6-电压均方根单元2；10-晶体管T1；11-晶体管T2；20-真空沟道半导体二极管D1；21-真空沟道半导体二极管D2；30-电阻R4。

具体实施方式

针对提出的如图1所示的半导体真空二极管，本发明完成了器件的制备和测试，关键参数如下：真空沟道半径为30μm，介质层厚度(沟道长度)80nm，当给二极管施加低压1V至14V偏压时，测得的电流-电压特性如图所图5所示。

实施例一：先采用图2所示的连接结构；用两个半径不同的真空沟道半导体二极管D1、D2，制作本申请所述的温度传感器。另用两个相同的晶体管T1、T2提供相同电流的电流源；T1、T2的基极相连，T1、T2的发射极相连；T1的集电极与D1的正极相连，其电位为U0；T2的集电极与D2的正极相连，其电位为U1；D1与D2的负极相连并接地。

T1的集电极同时与电压跟随器1中的正极相连，作为输入端1；T2的集电极同时与电压跟随器2中的正极相连，作为输入端2；电压跟随器1通过电阻R4连接电压跟随器2。

通过数学推导，获知：

其中，β是与阴极材料和几何尺寸相关的常数，T是真空二极管的温度，是D1和D2真空沟道半径比。

上述公式可以计算获知二极管温度与两种电压的关系。但数学式非线性关系，不太直观。

实施例二：在图2基础上，增加一些元器件得到图4的电路：在电压跟随单元1之后连接电压反向单元1，再与电压均方根单元1连接；在电压跟随单元2之后连接电压反向单元2，再与电压均方根单元2连接；电压均方根单元1通过电阻R4与电压均方根单元2相连。

通过数学推导，电阻R4上的电压Uout，与T具有下列关系：

其中K是玻尔兹曼常数，R₂和R₃是电压均方根单元中的两个匹配电阻。

选取这样获得的传感器精密度较高。

Claims (4)

1.一种半导体真空二极管温度传感器，具有两个半径不同的真空沟道半导体二极管D1、D2，二极管施加低压其特征在于：

另有两个相同的晶体管T1、T2提供相同电流的电流源；T1、T2的基极相连，T1、T2的发射极相连；T1的集电极与D1的正极相连，其电位为U0；T2的集电极与D2的正极相连，其电位为U1；D1的负极与D2的负极相连并接地；

T1的集电极同时与电压跟随器1中的正极相连，作为输入端1；T2的集电极同时与电压跟随器2中的正极相连，作为输入端2；电压跟随器1通过电阻R4连接电压跟随器2；

通过数学推导，获知：

其中，β是与阴极材料和几何尺寸相关的常数，T是真空二极管的温度，ρ是D1和D2真空沟道半径比。

2.根据权利要求1所述的半导体真空二极管温度传感器，其特征在于：

在电压跟随单元1之后连接电压反向单元1，再与电压均方根单元1连接；在电压跟随单元2之后连接电压反向单元2，再与电压均方根单元2连接；电压均方根单元1通过电阻R4与电压均方根单元2相连；

通过数学推导，电阻R4的电压Uout与T具有下列关系：

其中K是玻尔兹曼常数，R2和R3是电压均方根单元中的两个匹配电阻。

3.根据权利要求1所述的半导体真空二极管温度传感器，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的半导体真空二极管温度传感器，其特征在于：