SiC SBD基温度传感器灵敏度影响因素的研究

高攀 杨小艳 张林

摘  要： SiC基温度传感器由于可以实现比Si基温度传感器高得多的工作温度而备受重视。从理论和实验两方面研究影响SiC SBD基温度传感器灵敏度的因素。基于热电子发射理论的解析模型表明影响温度传感器灵敏度的因素主要是理想因子。采用Spice仿真不同偏置电流下SiC SBD的V?T关系，结果表明灵敏度随着正向电流的减小而增大并且线性度良好。采用10 mA的恒流源偏置电路测试了三个厂商的SiC SBD的V?T特性，结果发现三种SiC SBD测温上限均高于400 ℃，并且线性度较好，灵敏度均接近1.5 mV/℃。最后对提高SiC SBD基温度传感器的灵敏度提出了优化设计方案。

关键词： SiC基温度传感器; 肖特基势垒二极管; V?T特性; 偏置电路; 线性度; 灵敏度

中图分类号： TN850.1?34                       文献标识码： A                       文章编号： 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

溫度传感器作为最基本的传感器类型之一，被广泛应用到家电、工业、科学研究等多个领域中。常用的温度传感器有热电偶、热敏电阻、基于半导体的温度传感器等[1?2]，这几种常见的传感器的典型特性比较如表1所示。其中热电偶测温范围宽但是灵敏度较低，一般仅为40 μV/℃。热敏电阻虽然灵敏度高，但它是非线性元件，而半导体温度传感器具有灵敏度高、线性度好、体积小、功耗低、工作电流小等诸多优点而成为首选。但由于材料特性的限制，传统半导体材料制作的温度传感器工作温度上限约为150 ℃，限制了它的适用范围。

碳化硅（SiC）作为新型半导体材料，具有禁带宽、热导率高、高击穿场强、抗辐射能力强、化学性质稳定等优点。用SiC制作的温度传感器在高温恶劣环境下具有比Si基传感器更大的优势。J.F. Casady等报道的混合6H?SiC温度传感器[3]测温范围达到-50～500 ℃。Zhang Nuo报道了一种不需要参考温度点的4H?SiC温度传感器[4]，可以在20～600 ℃范围内稳定工作。在国内胡林辉等报道了一种采用改进型的恒流源电路[5]，可以使SiC SBD器件稳定工作在-100～500 ℃范围内。徐昌发等报道了SiC MOSFET器件的温度特性，可以达到530 ℃的温度上限[6]。而在众多的器件类型中，SiC SBD的制备工艺相对简单成熟、电学特性优良，是目前应用最广泛的SiC器件，也是用作温度传感器最多的SiC器件。高的灵敏度对于提高温度传感器的精度具有重要意义，但目前相关研究还不够深入。本文通过理论分析、仿真、实验研制研究了影响SiC SBD的线性度灵敏度的因素并提出了优化方案。

1  理论分析

SiC SBD的电流传导机制可以采用热电子发射理论来描述[7]，如下：

2  仿  真

本文采用Spice软件对不同恒流偏置下的罗姆器件（SCS206AG）的V?T关系开展仿真实验，如图1所示。可以看出，在不同恒流偏置下曲线的线性度都良好，灵敏度随着正向电流的减小而增大，与前面的理论分析符合。在100 mA下灵敏度约为1.3 mV/℃，10 mA下灵敏度约为1.5 mV/℃，1 mA下灵敏度约为1.65 mV/℃。

3  实物研制

根据理论分析和仿真的结果，虽然偏置电流越小温度传感器的灵敏度越高，但是对电路精度的要求也较高。在综合考虑系统制作难度和功耗等因素的情况下，本文采用LM358运放和MOS管IRF540搭建了一个10 mA的恒流源作为SiC SBD的驱动电路，采用干燥箱和马沸炉生成的恒温环境进行了测试，测温范围为室温20～450 ℃，如图2所示。选择目前应用较多的三个厂商的SiC SBD（SCS206AG（650 V 6 A），SIC_SD_G2_600V_

IDH_v2.1（600 V 6 A），CSD06060（600 V 6 A））分别测试它们的V?T关系如图3所示。

由实验结果可以看出，虽然三种的SiC SBD的电流和电压以及压降不同，但是灵敏度基本相同，与前文的理论分析符合，都能在400 ℃以下的测温范围内保持良好的线性度。

4  优化方案

从前面的研究可以看到SiC SBD基温度传感器较难通过SiC SBD的结构和工艺提高灵敏度。本文对温度传感器常用的串聯、并联、桥式三种电路结构进行了分析。

4.1  串联结构

该结构将两片SiC SBD器件串联，通过恒流偏置求得两个SiC SBD器件压降的和，并作为输出信号。电路如图4所示。

假设器件的I?V特性一致，那么系统的灵敏度随着串联二极管数量的增加而线性增加，可以实现比单个二极管更高的灵敏度。但是这种方法用到的SiC SBD器件越多成本也会越大，电路的复杂程度也会更高，同时压降会上升。

4.2  并联结构[10]

该电路将两个SiC SBD器件并联，并通过不同的恒流偏置，取两个器件的压降差作为输出信号。电路如图5所示。

假设两个器件具有相同的I?V特性，可以得到SiC SBD之间的压降差和温度之间的关系为：

4.3  桥式电路

与前两种结构采用电流源不同，该结构采用电压源偏置SiC SBD，由两个SiC SBD和两个电阻构成桥式电路，分别测量两片SiC SBD的压降，得到压降差。电路如图6所示。

图中[RD1，RD2]选择的都是罗姆SiC SBD（SCS206AG），[R1]和[R2]是两个不同阻值的电阻，分别计算两个SiC SBD的压降并获得它们的压价差，如下：

当选取电压源为5 V时，灵敏度约为2.458 mV/℃;当选取电压源为10 V时，灵敏度约为4.765 mV/℃。该方法相较于单个SiC SBD组成的温度传感器的灵敏度得到了较大的提升。通过改变电压源的大小可以提升灵敏度，但是随着电压的提升会使电路的功耗增加。

通过比较三种方案，并联电路相较于串联电路在同样使用两片SiC SBD的前提下，由于需要两个不同恒流源会使电路的功耗增加并且对电路的要求也更高。相较于串、并联电路都采用电流源偏置SiC SBD，而桥式电路则采用电压源偏置SiC SBD对电路要求较低，并且灵敏度的调节在不改变电路本身的情况下更加灵活方便。所以桥式结构电路可以作为最优方案。

5  结  论

本文通过理论和实验对SiC SBD基温度传感器灵敏度进行了研究，解析模型和Spice仿真都表明灵敏度的大小主要与器件的理想因子有关。实验结果也证明，不同厂商和参数的SiC SBD作为温度传感器时，灵敏度非常接近。采用串联、并联以及桥式三种拓扑结构对温度传感器电路的性能进行了研究，这三种方案都能实现比单个SiC SBD基温度传感器更高的灵敏度，其中桥式电路相较于其他两种电路对电路的要求也相对较低，并且不需要改变电路结构就可以提高灵敏度，可以作为最优方案。

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