シリコンバンドギャップ温度センサー

シリコンバンドギャップ温度センサーは、電子機器で使用される温度センサー（温度計）の非常に一般的な形式です。その主な利点は、非常に低コストでシリコン集積回路に組み込むことができることです。センサーの原理は、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）のベースエミッタ接合であるシリコン ダイオードの順方向電圧が、次の式に従って温度に依存するというものです。^[1]

${\displaystyle V_{BE}=V_{G0}\left(1-{\frac {T}{T_{0}}}\right)+V_{BE0}\left({\frac {T}{T_{0}}}\right)+\left({\frac {nkT}{q}}\right)\ln \left({\frac {T_{0}}{T}}\right)+\left({\frac {kT}{q}}\right)\ln \left({\frac {I_{C}}{I_{C0}}}\right)\,}$

どこ

T =ケルビン単位の温度、

T ₀ = 基準温度、

V _{G 0} =絶対零度におけるバンドギャップ電圧、

V _{BE 0 = 温度}T ₀および電流I _C0における接合電圧、

k =ボルツマン定数、

q =電子の電荷、

n = デバイスに依存する定数。

同じ温度で、2 つの異なる電流I _C1とI _C2における 2 つの接合部の電圧を比較すると、上記の式の多くの変数が除去され、次の関係が得られます。

${\displaystyle \Delta V_{BE}={\frac {kT}{q}}\cdot \ln \left({\frac {I_{C1}}{I_{C2}}}\right)\,}$

接合電圧は電流密度、つまり電流/接合面積の関数であり、一方の接合面積が他方の接合面積と異なる場合でも、2 つの接合を同じ電流で動作させることで同様の出力電圧が得られることに注意してください。

I _C1とI _{C2 を}固定の N:1 比率に強制する回路^[2]は、 次の関係式を与えます。

${\displaystyle \Delta V_{BE}={\frac {kT}{q}}\cdot \ln \left(N\right)\,}$

したがって、 Δ V _BEを測定するBrokaw バンドギャップ基準などの電子回路を使用して、ダイオードの温度を計算できます。結果は、リーク電流が大きくなり、測定値が損なわれる約 200 °C ～ 250 °C まで有効です。これらの温度を超えると、シリコンの代わりにシリコンカーバイドなどの材料を使用できます。

異なる電流密度で動作する2 つのpn 接合(ダイオードなど)間の電圧差は、絶対温度( PTAT )に比例します。

BJTまたはCMOSトランジスタを使用したPTAT回路は、温度センサー（温度に応じて出力を変化させる）や、バンドギャップ電圧リファレンスやその他の温度補償回路（あらゆる温度で同じ出力を必要とする）で広く使用されています。^{[2] [3] [4]}

高精度が必要ない場合は、ダイオードを一定の低電流でバイアスし、その -2 mV/˚C の熱係数を使用して温度を計算しれば十分ですが、これにはダイオードの種類ごとに校正が必要です。この方法はモノリシック温度センサーで一般的です。^[要出典]

• 温度センシング理論と実践的技術、アナログデバイス
• 高精度モノリシック温度センサー、TI（旧ナショナル セミコンダクター）