SiC SBD基溫度傳感器靈敏度影響因素的研究

高攀 楊小艷 張林

摘 ?要： SiC基溫度傳感器由于可以實(shí)現(xiàn)比Si基溫度傳感器高得多的工作溫度而備受重視。從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究影響SiC SBD基溫度傳感器靈敏度的因素?；跓犭娮影l(fā)射理論的解析模型表明影響溫度傳感器靈敏度的因素主要是理想因子。采用Spice仿真不同偏置電流下SiC SBD的V?T關(guān)系，結(jié)果表明靈敏度隨著正向電流的減小而增大并且線性度良好。采用10 mA的恒流源偏置電路測(cè)試了三個(gè)廠商的SiC SBD的V?T特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種SiC SBD測(cè)溫上限均高于400 ℃，并且線性度較好，靈敏度均接近1.5 mV/℃。最后對(duì)提高SiC SBD基溫度傳感器的靈敏度提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞： SiC基溫度傳感器; 肖特基勢(shì)壘二極管; V?T特性; 偏置電路; 線性度; 靈敏度

中圖分類(lèi)號(hào)： TN850.1?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）10?0070?04

Abstract： The SiC?based temperature sensor receives great attention as it can realize much higher work temperature than the Si?based temperature sensor. The sensitivity influencing factors of the SiC SBD based temperature sensor are studied theoretically and experimentally. The analytical model based on the thermionic emission theory shows that the sensitivity influencing factors of the temperature sensor are mainly ideal factors. The Spice is adopted to simulate the V?T relationship of SiC SBD at different bias currents. The results show that the sensitivity increases as the forward current decreases， and the linearity is good. The bias circuit with 10 mA constant current source is adopted to test the V?T feature of three manufactures′ SiC SBDs. The results show that the upper temperature limits measured by the three SiC SBDs are all higher than 400 ℃， the linearity is good， and the sensitivity is close to 1.5 mV/°C. At last， an optimization design scheme for improving the sensitivity of SiC SBD based temperature sensor is proposed.

Keywords： SiC?based temperature sensor; SBD; V?T feature; bias circuit; linearity; sensitivity

0 ?引 ?言

溫度傳感器作為最基本的傳感器類(lèi)型之一，被廣泛應(yīng)用到家電、工業(yè)、科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域中。常用的溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻、基于半導(dǎo)體的溫度傳感器等[1?2]，這幾種常見(jiàn)的傳感器的典型特性比較如表1所示。其中熱電偶測(cè)溫范圍寬但是靈敏度較低，一般僅為40 μV/℃。熱敏電阻雖然靈敏度高，但它是非線性元件，而半導(dǎo)體溫度傳感器具有靈敏度高、線性度好、體積小、功耗低、工作電流小等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為首選。但由于材料特性的限制，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料制作的溫度傳感器工作溫度上限約為150 ℃，限制了它的適用范圍。

碳化硅（SiC）作為新型半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬、熱導(dǎo)率高、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。用SiC制作的溫度傳感器在高溫惡劣環(huán)境下具有比Si基傳感器更大的優(yōu)勢(shì)。J.F. Casady等報(bào)道的混合6H?SiC溫度傳感器[3]測(cè)溫范圍達(dá)到-50～500 ℃。Zhang Nuo報(bào)道了一種不需要參考溫度點(diǎn)的4H?SiC溫度傳感器[4]，可以在20～600 ℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。在國(guó)內(nèi)胡林輝等報(bào)道了一種采用改進(jìn)型的恒流源電路[5]，可以使SiC SBD器件穩(wěn)定工作在-100～500 ℃范圍內(nèi)。徐昌發(fā)等報(bào)道了SiC MOSFET器件的溫度特性，可以達(dá)到530 ℃的溫度上限[6]。而在眾多的器件類(lèi)型中，SiC SBD的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單成熟、電學(xué)特性優(yōu)良，是目前應(yīng)用最廣泛的SiC器件，也是用作溫度傳感器最多的SiC器件。高的靈敏度對(duì)于提高溫度傳感器的精度具有重要意義，但目前相關(guān)研究還不夠深入。本文通過(guò)理論分析、仿真、實(shí)驗(yàn)研制研究了影響SiC SBD的線性度靈敏度的因素并提出了優(yōu)化方案。

1 ?理論分析

SiC SBD的電流傳導(dǎo)機(jī)制可以采用熱電子發(fā)射理論來(lái)描述[7]，如下：

2 ?仿 ?真

本文采用Spice軟件對(duì)不同恒流偏置下的羅姆器件（SCS206AG）的V?T關(guān)系開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，如圖1所示?？梢钥闯?，在不同恒流偏置下曲線的線性度都良好，靈敏度隨著正向電流的減小而增大，與前面的理論分析符合。在100 mA下靈敏度約為1.3 mV/℃，10 mA下靈敏度約為1.5 mV/℃，1 mA下靈敏度約為1.65 mV/℃。

3 ?實(shí)物研制

根據(jù)理論分析和仿真的結(jié)果，雖然偏置電流越小溫度傳感器的靈敏度越高，但是對(duì)電路精度的要求也較高。在綜合考慮系統(tǒng)制作難度和功耗等因素的情況下，本文采用LM358運(yùn)放和MOS管IRF540搭建了一個(gè)10 mA的恒流源作為SiC SBD的驅(qū)動(dòng)電路，采用干燥箱和馬沸爐生成的恒溫環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)溫范圍為室溫20～450 ℃，如圖2所示。選擇目前應(yīng)用較多的三個(gè)廠商的SiC SBD（SCS206AG（650 V 6 A），SIC_SD_G2_600V_

IDH_v2.1（600 V 6 A），CSD06060（600 V 6 A））分別測(cè)試它們的V?T關(guān)系如圖3所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，雖然三種的SiC SBD的電流和電壓以及壓降不同，但是靈敏度基本相同，與前文的理論分析符合，都能在400 ℃以下的測(cè)溫范圍內(nèi)保持良好的線性度。

4 ?優(yōu)化方案

從前面的研究可以看到SiC SBD基溫度傳感器較難通過(guò)SiC SBD的結(jié)構(gòu)和工藝提高靈敏度。本文對(duì)溫度傳感器常用的串聯(lián)、并聯(lián)、橋式三種電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

4.1 ?串聯(lián)結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)將兩片SiC SBD器件串聯(lián)，通過(guò)恒流偏置求得兩個(gè)SiC SBD器件壓降的和，并作為輸出信號(hào)。電路如圖4所示。

假設(shè)器件的I?V特性一致，那么系統(tǒng)的靈敏度隨著串聯(lián)二極管數(shù)量的增加而線性增加，可以實(shí)現(xiàn)比單個(gè)二極管更高的靈敏度。但是這種方法用到的SiC SBD器件越多成本也會(huì)越大，電路的復(fù)雜程度也會(huì)更高，同時(shí)壓降會(huì)上升。

4.2 ?并聯(lián)結(jié)構(gòu)[10]

該電路將兩個(gè)SiC SBD器件并聯(lián)，并通過(guò)不同的恒流偏置，取兩個(gè)器件的壓降差作為輸出信號(hào)。電路如圖5所示。

假設(shè)兩個(gè)器件具有相同的I?V特性，可以得到SiC SBD之間的壓降差和溫度之間的關(guān)系為：

4.3 ?橋式電路

與前兩種結(jié)構(gòu)采用電流源不同，該結(jié)構(gòu)采用電壓源偏置SiC SBD，由兩個(gè)SiC SBD和兩個(gè)電阻構(gòu)成橋式電路，分別測(cè)量?jī)善琒iC SBD的壓降，得到壓降差。電路如圖6所示。

圖中[RD1，RD2]選擇的都是羅姆SiC SBD（SCS206AG），[R1]和[R2]是兩個(gè)不同阻值的電阻，分別計(jì)算兩個(gè)SiC SBD的壓降并獲得它們的壓價(jià)差，如下：

當(dāng)選取電壓源為5 V時(shí)，靈敏度約為2.458 mV/℃;當(dāng)選取電壓源為10 V時(shí)，靈敏度約為4.765 mV/℃。該方法相較于單個(gè)SiC SBD組成的溫度傳感器的靈敏度得到了較大的提升。通過(guò)改變電壓源的大小可以提升靈敏度，但是隨著電壓的提升會(huì)使電路的功耗增加。

通過(guò)比較三種方案，并聯(lián)電路相較于串聯(lián)電路在同樣使用兩片SiC SBD的前提下，由于需要兩個(gè)不同恒流源會(huì)使電路的功耗增加并且對(duì)電路的要求也更高。相較于串、并聯(lián)電路都采用電流源偏置SiC SBD，而橋式電路則采用電壓源偏置SiC SBD對(duì)電路要求較低，并且靈敏度的調(diào)節(jié)在不改變電路本身的情況下更加靈活方便。所以橋式結(jié)構(gòu)電路可以作為最優(yōu)方案。

5 ?結(jié) ?論

本文通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)SiC SBD基溫度傳感器靈敏度進(jìn)行了研究，解析模型和Spice仿真都表明靈敏度的大小主要與器件的理想因子有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明，不同廠商和參數(shù)的SiC SBD作為溫度傳感器時(shí)，靈敏度非常接近。采用串聯(lián)、并聯(lián)以及橋式三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)溫度傳感器電路的性能進(jìn)行了研究，這三種方案都能實(shí)現(xiàn)比單個(gè)SiC SBD基溫度傳感器更高的靈敏度，其中橋式電路相較于其他兩種電路對(duì)電路的要求也相對(duì)較低，并且不需要改變電路結(jié)構(gòu)就可以提高靈敏度，可以作為最優(yōu)方案。

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