Utilizacion De Un Transistor Como Sensor

INTRODUCCION
Sensores basados en semiconductores de unión tipo P-N
Una unión semiconductora p-n en un diodo y un transistor bipolar exhibe una muy fuerte dependencia térmica. Si la unión polarizada está conectada a un generador de corriente constante Fig. (16.19 A), la tensión resultante se convierte en una medida de la temperatura de la unión (Fig. 16.20). Una característica muy atractiva dedicho sensor es su alto grado de linealidad. Esto permite un método simple de calibración con sólo dos puntos para definir una pendiente (sensibilidad) y una intersección. La ecuación de corriente a voltaje de un diodo de unión p-n se puede expresar como:
I=I0expqV2kT……………….Eq. 16.45
Donde I0 es la corriente de saturación, que es una fuerte función de la temperatura. Se puede demostrar que elvoltaje depende de la temperatura a través de la unión, se puede expresar como:
V=Esq-2kTqlnk-lnI……..Eq. 16.46

Fig. 16.19. Dependencia de temperatura del Voltaje-de una unión semiconductora polarizada bajo condiciones de corriente constante.

Fig. 16.20. Sensores de temperatura polarizados de unión p-n: (A) diodo; (B) diodo transistor conectado.
Dónde Eg es la energía de ancho de banda delsilicio a 0 K (cero absoluto), q es la carga de un electrón, y A es una constante independiente de la temperatura. De ello se deduce de la ecuación (16,46), tal que la unión funciona bajo condiciones de corriente constante, el voltaje se relaciona linealmente con la temperatura y la pendiente está dada por:
b=dVdT-2kqlnk-lnI……..Eq. 16.47
Típicamente, para una operación de unión del silicio a 10 mA.La pendiente (sensibilidad) es de aproximadamente -2,3 mV / ° C y se deja caer a aproximadamente -2,0 mV / ° C para una corriente de 1-mA. Cualquier diodo o transistor de unión puede ser utilizado como un sensor de temperatura. Un circuito práctico para el transistor usado como un sensor de temperatura se muestra en la fig. 16.19B. Una fuente de voltaje E y una resistencia R estable se utiliza enlugar de una fuente de corriente. La corriente que atraviesa el transistor se determina por:
I=E-VR………..Eq.16.48
Se recomienda la utilización de corriente del orden de I = 100 µA; por lo tanto, para E = 5 V y V = 0,6 V, la resistencia R=E-V/I = 44 KΩ. Cuando la temperatura aumenta, el voltaje cae V, que resulta en un aumento diminuto de la corriente I. De acuerdo con la ecuación. (16,47).Esto provoca cierta reducción en la sensibilidad lo cual, a su vez, se manifiesta como la no linealidad. Sin embargo, la no linealidad puede ser lo suficientemente pequeño para una aplicación particular o puede ser atendido durante el procesamiento de la señal. Esto hace que un transistor (diodo) sensor de temperatura un dispositivo muy atractivo para muchas aplicaciones, debido a su simplicidad ybajo costo. Figura 16,21 muestra una curva de error para los sensores de temperatura realizadas con un transistor PN100 operando a 100 μA. Se ve que el error es bastante pequeño, y para propósitos prácticos, la corrección de no linealidad es necesaria.

Un sensor de diodo puede ser formado de un substrato de silicio, en muchos sensores monolíticos que requieren compensación de temperatura. Porejemplo, puede ser difundido en una membrana micro mecanizada de un sensor de presión del silicio para compensar dependencia de la temperatura de los elementos piezorresistivos.

Fig. 16.21. Una curva de error para un transistor de silicio (PN 100) como un sensor de temperatura
Un barato semiconductor de precisión sensor de temperatura puede ser fabricado utilizando las propiedades fundamentalesde los transistores para producir voltaje que es proporcional a la temperatura absoluta (en grados Kelvin). Este voltaje se puede utilizar directamente o puede ser convertida en corriente. La relación entre el voltaje base-emisor (Vbe) y la corriente de colector de un transistor bipolar es la propiedad clave para producir un sensor de temperatura semiconductor lineal. Figura I6.22A muestra un...