半导体温度传感器

Semiconductor Temperature Sensors

利用电阻或结电压的温度响应，在明确激励和误差模型下估计感温结温度。

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约 1 分钟

温敏元件不会直接输出绝对温度。热敏电阻需要非线性关系，结型测温需要偏置、压差和校准；读到的首先是元件自身温度。

系统理解

约 2 分钟

硅结的固定电流压降通常随温度上升而下降，但截距和斜率受到器件参数影响。两电流相减可消去共同饱和电流项，得到与绝对温度成正比的压差信号；理想因子、电流比和串联电阻仍会留下误差。

热敏电阻则通过电阻变化感温，其非线性、温区和自热需要单独处理。无论哪种元件，位置、热接触、负载与读出链都会影响温度解释。校准与滤波处理不同问题，不能把分辨率、准确度和热跟随速度合成一个指标。

承接PN结与BJT，连接带隙基准中的PTAT思想；本节点聚焦温度读出而非重建基准电压补偿电路。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
感温结温度	K / °C	区分模型的绝对温度与显示温标
偏置电流比	1	定义两电流压差斜率
理想因子与串联电阻	1 / Ω	构成比例与附加压差误差
热敏电阻β与参考电阻	K / Ω	描述有限温区的非线性
噪声、漂移与热响应	K / K/s	区分电学读数误差和被测对象动态

常见误区

硅二极管都能使用同一个固定毫伏每度系数。
两电流相减能消除所有温度测量误差。
读出芯片温度、远端结温和空气温度总相同。

工程深入

12 条结论 · 2 道例题

感温元件

定义

半导体测温把材料温度响应变成可读电量

热敏电阻利用电阻随温度变化，结型传感器利用PN结或BJT的电压—电流关系。选择时需要同时考虑温区、非线性、激励和读出，不能只比较一个名义灵敏度。^{1, 2}

成立条件 本节点聚焦半导体电阻和结型测温，不涵盖所有热电偶或金属RTD设计。

边界

远端所谓二极管必须匹配实际晶体管连接

远端结测温常用二极管连接的BJT或片内可访问的基射极结，而不是任意两脚整流二极管。需要检查NPN/PNP类型、端子连接和读出器的偏置方式。^{1, 3}

成立条件 按具体器件手册连接；不把集电极接基极和衬底PNP接法混为同一种拓扑。

结型测温原理

机制

恒流正向压降通常随升温而降低，但不是固定温标

在合适的扩散电流区，硅结在固定电流下的正向压降一般随温度升高而降低；饱和电流、理想因子和工艺差异影响斜率与截距。不能把任意二极管的某次压降套进统一的每度毫伏换算。^{1, 4}

成立条件 局部近似只适用于所选电流和温度范围；避免高注入、明显串联电阻或漏电主导。

公式

两电流压差提供与绝对温度成正比的信号

在同一温度、同一结模型下，以两个电流读取电压并相减，可以消去共同的饱和电流项。保留理想因子后，压差正比于开尔文温度和电流比的自然对数。^{1, 5}

\Delta V_{\mathrm{BE}}=\eta\frac{kT}{q}\ln\frac{I_H}{I_L}

$\Delta V_{\mathrm{BE}}$: 两电流状态下的基射极电压差单位 V
$\eta$: 测量区间的理想因子无量纲
$k$: Boltzmann常数单位 J/K
$T$: 结的绝对温度单位 K
$q$: 正元电荷量单位 C
$I_H$: 较高偏置电流单位 A
$I_L$: 较低偏置电流单位 A

成立条件 IH>IL且两次测量的结温近似不变；电流区间内η近似常数，忽略串联电阻和高注入。；下式定义ΔVBE=VBE(IH)−VBE(IL)，以正电流幅值写比例。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学结在300.0 K，η=1，IH/IL=10，求两电流压差及温度每升高1 K的增量。

已知

k=1.380649×10⁻²³ J/K；q=1.602176634×10⁻¹⁹ C；忽略串联电阻与两次测量间温差。

步骤

S = (k/q) ln10 ≈ 198.421 μV/K先求电流比确定的PTAT斜率。
ΔVBE = S×300.0 K ≈ 59.5264 mV斜率乘绝对温度，不能代入摄氏25或27。

结果压差约59.53 mV；每升高1 K增加约198.4 μV。

单个正向压降的负斜率与两电流压差的正斜率是不同读数。

适用边界 η与电流比误差、串联电阻和电流切换中的结温变化会破坏理想换算。

误差与校准

边界

电流比精度比理想电流的共同尺度更关键

理想两电流式主要取决于IH/IL，两个电流同比例变化不会改变该比值；但电流源失配或开关压降使实际比值偏离目标时，会形成温度比例误差。^{4, 5}

成立条件 这只消除理想模型中的共同电流尺度；实际电流幅值仍影响串联压降、工作区和发热。

边界

理想因子不匹配产生绝对温度比例误差

若换算器采用的理想因子与感温结实际值不同，压差读数会被错误地换成温度。误差应先在开尔文温标下分析，再转换为摄氏温度差，而不是直接按摄氏读数乘百分比。^{3, 5}

成立条件 仅保留η不匹配，电流比与其他误差视为已知或已消除；η可随器件与工作区改变。

公式

串联电阻把两电流差变成额外压差

导线、接触和结串联电阻会在高、低电流下产生不同压降，附加到感温压差中。它不是仅靠减去一次零点就能在所有电流方案下消除的误差。^{3, 5}

\Delta V_{\mathrm{series}}=R_s(I_H-I_L)

$\Delta V_{\mathrm{series}}$: 串联电阻附加的两电流压差单位 V
$R_s$: 感温通路的等效串联电阻单位 Ω
$I_H$: 较高偏置电流单位 A
$I_L$: 较低偏置电流单位 A

成立条件 本式假设两次状态具有同一欧姆串联电阻；η=1且电流比10时给出教学换算。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学电流IH=100 μA、IL=10.0 μA，Rs=2.00 Ω，η=1，求附加压差和未补偿温差。

已知

同一电阻在两次测量内不变；用电流比10的理想斜率198.421 μV/K。

步骤

ΔVseries = 2.00×(100−10.0) μA = 180 μV电阻只乘两电流之差。
ΔTerror = 180/198.421 K ≈ 0.907 K附加压差除以PTAT斜率。

结果附加压差180 μV，未补偿正温差约0.907°C。

温差以K或°C计的数值相同，但主测温式里的温度必须用K。

适用边界 支持多电流电阻抵消的器件需按其算法评估，不能再叠加本例未补偿偏差。

读出与验证

边界

压差量化分辨率不等于温度准确度

两电流压差的每度变化可能小于单个正向压降的每度变化；放大器误差、ADC量化、噪声与漂移都会进入结果。平均或滤波能缩小读数分散，但不能自动修正理想因子或电流比偏差。^{4, 5}

成立条件 先把输入端等效电压误差换算成温差；不把某ADC位数作为所有系统的固定准确度保证。

边界

远端感温结的温度不必等于读出芯片或空气温度

局部和远端通道测的是各自感温结的温度，功耗和热路径可能让它们不同于空气或板上另一点。解释读数时应标出感温位置和系统负载，不能只写一个没有位置的环境温度。^{4, 5}

成立条件 本条不提供统一的结温到环境温度修正式；热平衡与动态状态需要分别说明。

关联

校准应同时覆盖参考温度与实际读出链

将感温结、偏置和读出一起放入受控温度环境，以靠近感温结的参考测量核对误差，再按器件能力修正偏移与比例项。只让空气设定值等于目标值，不能证明感温结已经达到该温度。^{2, 4}

成立条件 参考温度和热平衡必须可说明；不把单个演示产品的免校准宣传移作所有器件保证。

热敏电阻边界

公式

NTC的β近似把非线性写在倒温度上

在有限温区内，一类NTC热敏电阻可以用参考电阻和特征温度β描述；它对开尔文倒数呈指数关系，因而不能把室温的线性电阻温度系数延伸到整个温区。¹

R(T)\approx R_0\exp\!\left[\beta\left(\frac1T-\frac1{T_0}\right)\right]

$R(T)$: 温度T下的电阻单位 Ω
$R_0$: 参考温度下的电阻单位 Ω
$\beta$: 选定温区内的特征温度单位 K
$T$: 感温材料的绝对温度单位 K
$T_0$: 参考绝对温度单位 K

成立条件 β近似视为区间常数；使用器件校准范围，不将所有半导体或所有温度区间归为NTC。

机制

激励自热会让热敏电阻不再被动反映被测温度

测量电流本身在电阻上耗散功率，感温材料可能高于被测对象温度；NTC在电压激励下还可能因阻值下降而进一步增加耗散。减小激励或采用间歇读数时，仍要检查热接触与稳定时间。¹

成立条件 热平衡误差取决于封装和散热环境；不把单个响应时间当成所有热敏电阻的通用值。

出处

5 份资料 · 22 处引用

1
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- §14.2.1–14.2.3，图3，本地重排版未显示可靠印刷页码，不换算 支持：半导体测温把材料温度响应变成可读电量
- §14.2.3，图3b，本地重排版未显示可靠印刷页码，不换算 支持：远端所谓二极管必须匹配实际晶体管连接
- §14.2.2–14.2.3，式4–9、图3，本地重排版未显示可靠印刷页码，不换算 支持：恒流正向压降通常随升温而降低，但不是固定温标
- §14.2.2，式8，本地重排版未显示可靠印刷页码，不换算 支持：两电流压差提供与绝对温度成正比的信号
- §14.2.1，式1–3，本地重排版未显示可靠印刷页码，不换算 支持：NTC的β近似把非线性写在倒温度上
- §14.2.1，图2，本地重排版未显示可靠印刷页码，不换算 支持：激励自热会让热敏电阻不再被动反映被测温度
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2
How to Optimize Space-Grade Temperature Sensing Designs
Meredith McKean · 2025
- §2 Comparisons、§3 Remote Application Use Cases，第 2–3 页 支持：半导体测温把材料温度响应变成可读电量
- §6 Calibration，第 7–8 页 支持：校准应同时覆盖参考温度与实际读出链
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3
Compensating for Ideality Factor and Series Resistance Differences between Thermal-Sense Diodes
Analog Devices
- 脚注1，官网无PDF/印刷页码，核对2026-10-24 支持：远端所谓二极管必须匹配实际晶体管连接
- Ideality Factor Correction，官网无PDF/印刷页码，核对2026-10-24 支持：理想因子不匹配产生绝对温度比例误差
- Series Resistance Correction，官网无PDF/印刷页码，核对2026-10-24 支持：串联电阻把两电流差变成额外压差
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4
Making Accurate Temperature Measurements with Devices with Different Ideality Factors
Sal Afzal; Shuilin Tian · 2017
- Theory Of Operation，式1，官网无PDF/印刷页码，核对2026-10-24 支持：恒流正向压降通常随升温而降低，但不是固定温标
- Theory Of Operation / Simplify Temperature Measurements，官网无PDF/印刷页码，核对2026-10-24 支持：电流比精度比理想电流的共同尺度更关键
- Oversampling for Better Resolution / Dealing with Ideality Factor，官网无PDF/印刷页码，核对2026-10-24 支持：压差量化分辨率不等于温度准确度
- 图3–5及实验说明，官网无PDF/印刷页码，核对2026-10-24 支持：远端感温结的温度不必等于读出芯片或空气温度
- 图3–8及Dealing with Ideality Factor，官网无PDF/印刷页码，核对2026-10-24 支持：校准应同时覆盖参考温度与实际读出链
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5
Measuring Die Temperatures with Remote Diode Sensing in Space
Zak Kaye · 2018
- §3.2，式2–5，第 3 页 支持：两电流压差提供与绝对温度成正比的信号
- §3.2及§3.2.1，电流比和增益误差，第 3–4 页 支持：电流比精度比理想电流的共同尺度更关键
- §3.2–3.2.1，第 3–4 页 支持：理想因子不匹配产生绝对温度比例误差
- §3.2.1续，长走线串联电阻与多电流校准，第 5 页 支持：串联电阻把两电流差变成额外压差
- §3.2.1，分辨率、噪声及增益误差，第 4 页 支持：压差量化分辨率不等于温度准确度
- §2.1–2.2及集成方案，第 2、5 页 支持：远端感温结的温度不必等于读出芯片或空气温度
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关键参数

常见误区

感温元件

#半导体测温把材料温度响应变成可读电量

#远端所谓二极管必须匹配实际晶体管连接

结型测温原理

#恒流正向压降通常随升温而降低，但不是固定温标

#两电流压差提供与绝对温度成正比的信号

已知

步骤

误差与校准

#电流比精度比理想电流的共同尺度更关键

#理想因子不匹配产生绝对温度比例误差

#串联电阻把两电流差变成额外压差

已知

步骤

读出与验证

#压差量化分辨率不等于温度准确度

#远端感温结的温度不必等于读出芯片或空气温度

#校准应同时覆盖参考温度与实际读出链

热敏电阻边界

#NTC的β近似把非线性写在倒温度上

#激励自热会让热敏电阻不再被动反映被测温度

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How to Optimize Space-Grade Temperature Sensing Designs

Compensating for Ideality Factor and Series Resistance Differences between Thermal-Sense Diodes

Making Accurate Temperature Measurements with Devices with Different Ideality Factors

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