1 Überblick über die Sensorik

114 3.4 Transistoren als Temperatursensoren 3.4 Transistoren als Temperatursensoren 115
Die auf diese Weise eingeführte Stromdichte j´s hat naturgemäß sehr große Werte,
im Vergleich zu dem Exponentialfaktor in (7) kann sie näherungsweise als temperaturunabhängig
angenommen werden. (6) bekommt dann die Form
Die geometrisch und nicht materialbestimmte Basisweite d läßt sich technologisch über
die Diffusionstiefen der Dotierungsatome oder die Beschleunigungsspannung bei der
Ionenimplantation weit besser beherrschen als die Minoritätsträgerlebensdauer. Deshalb
werden als Temperatursensoren durchweg kurzgeschlossene Transistoren gemäß
Bild 3.4-2 eingesetzt. Bei pnp-Transistoren in Emitterschaltung (Band 2, Bild 10.2.1-1)
wird die Emitter-Basis-Flußspannung U EB positiv gerechnet, so daß die Formeln (8)
und (9) die Form bekommen
Dieses ist bei fester eingeprägter Stromdichte j eine lineare Beziehung zwischen Flußspannung
und Temperatur, die sich zur Herstellung von Temperatursensoren ausnutzen
läßt.
In der Praxis lassen sich die Sättigungsströme von Dioden relativ schlecht reproduzieren,
eine der Ursachen dafür ist, daß in (4) die Minoritätsträgerlebensdauer p über die
Diffusionslänge L p eingeht gemäß
Daraus ergibt sich für Flußspannungen, die meist nur wenig oberhalb der Schwellspannung
( j s < j , s. auch Band 2, Bild 9.3.1-4) liegen, ein negativer Temperaturkoeffizient
Die Minoritätsträgerlebensdauer hängt unter anderem empfindlich ab von schwer reproduzierbaren
Größen wie der Konzentration tiefer Störstellen und von Gitterfehlern. Diese
Abhängigkeiten lassen sich reduzieren, wenn anstelle einer pn-Diode die Emitter-Basisstrecke
eines bipolaren Transistors mit kurzgeschlossenen Basis- und Kollektoranschlüssen
(Bild 3.4-2) verwendet wird.
Die physikalische Interpretation ist, daß bei steigender Temperatur eine geringere Flußspannung
erforderlich ist, um eine vorgegebene Stromdichte j zu erzeugen. Das Einsetzen
von (12) erbringt
Bild 3.4-2
bipolarer pnp-Transistor mit Basis-Kollektor-Kurzschluß als Temperatursensor
Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß sich in diesem Fall die werkstoffbedingte Diffusionslänge
L p durch die geometriebedingte Basisweite d ersetzen läßt: Nach Band
2, (10.2.1-4b), gilt dann nämlich anstelle von (6):
Nach (15) entsteht ein Temperaturabhängigkeit der Emitter-Basis-Spannung, die weitaus
größer ist als diejenige der Thermospannung von Thermoelementen, experimentell
ergeben sich Werte von ca. -2,3 mV/K. Über den Wert von U EB ist die temperaturabhängige
Spannung ihrerseits abhängig von dem Verhältnis j /j ś (Bild 3.4-3), d.h. ein
größerer Kollektorstrom verkleinert die Spannung. Die Linearität von Transistor-Temperatursensoren
ist besser als die vergleichbarer Sensoren (Bild 3.4-4). Andererseits erweist
sich die unmittelbare Abhängigkeit des TKs vom Sättigungsstrom j s (der nach
(7) die Größe j' s bestimmt) auch bei Dioden mit einem Aufbau wie in Bild 3.4-2 noch
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