CN109062311A - Pn结肖特基结的新型使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了PN结肖特基结的新型使用方法。PN结、肖特基结的电压电流公式I=Is(expV/VT‑1)，说明了温度‑反向饱和电流特性包含了极其重要的正向温度性能信号，反向Is与正向温度性能是同一特性的两极表现而已。本发明公开了把PN结、肖特基结反过来在低反向电压下利用反向电流工作的应用：对正向PN结、肖特基结进行很好的电压温度系数补偿，可以灵活的组合成低至0.3V以下，高至十多伏甚至更高电压、低温漂、1/f噪声极低、电源电压抑制比极高、耗用电流又比较小的高精度电压基准；可用于高灵敏度测温，还可以使三极管的be极电压温度系数大幅改变或趋向于0，扩大三极管的应用范围。

Description

PN结肖特基结的新型使用方法

技术领域

本发明属于电子电路技术领域。具体的说，是PN结肖特基结的新型使用方法。

背景技术

对于PN结、肖特基结这类势垒结（以下简称势垒结）人们一直都理所当然的用着它们的反向截止、正向导通的功能。然而，PN结的电压电流公式I=Is(expV/VT-1)却明白的告诉我们，反向饱和电流Is与正向性能是不可分割的，是同一特性的两极表现而已，温度-反向电流特性包含了其重要的正向温度性能信号。然而，在PN结、肖特基结中，仅仅稳压管、光敏管是利用其反向电流、电压进行工作的，但利用的也都不是温度-反向电流这种重要的电流信号。

势垒结是温度的敏感电子元件，不管是正向性能还是反向性能。在恒定电流下，势垒结的正向压降随温度增高基本成线性下降；人们利用这个特点做温度传感器。势垒结在恒定反向电压下，其反向电流随温度增高而基本呈指数增大，比正向压降对温度的反应更灵敏，然而却没有公开利用反向电流进行温度检测的方法。

正向PN结、肖特基结（以下简称稳压势垒结）具有稳压作用，并且低频噪声可以做到极小，但是这类势垒结温度系数大，使其形成的电压对温度的稳定性差，不能直接用于要求对温度具有高稳定性电压的电路中。正向PN结与稳压管结合组成电压基准时，是利用PN结的负温度系数与特定稳压管的正温度系数进行相互补偿，形成低温度系数电压基准；而对PN结本身的电压基本不构成电压温度补偿，PN结两端的电压仍旧表现为明显的负电压温度系数。此类基准代表如温补稳压管、超精密基准LTZ1000；这种电压基准一般静态耗用电流较大，达数毫安，其电压值也基本限制在6V到7V附近的范围。PN结用于带隙基准时，也是利用三极管中PN结本身的负温度系数与两不同电流密度的三极管之间形成的ΔVbe的正温度系数进行相互补偿，形成低温度系数电压基准；这种基准的正温度系数电压在电阻上放大后得到，但这种放大也同步放大了△Vbe的噪声，因此其精度与低频噪声性能都比较有限；这种基准中的PN结Vbe也一样仍旧表现为负温度系数。对电压基准的功能影响最大的噪声频段是0.01～10Hz的低频噪声，这种噪声比较难以滤除，直接影响了电压基准的短稳。PN结及肖特基结的正向电压低频噪声可以做到极低，只是现有电路中尚未有对PN结、肖特基结本身进行电压温度系数的大幅补偿，使其接近零电压温度系数的公开使用方法，限制了这类稳压势垒结的许多应用。

在电压基准中，比较普遍的还有MOS管的电压基准，最大优点是功耗特别小，工艺性好。但噪声、精度也比较有限。

这几种电压基准的1/f噪声大都比较大，峰-峰值大的达几十上百uV，小的一般也有数uV, 常常被八位半高精度仪表采用的LTZ1000高级电压基准也有1.2uV。低频噪声的大小意味着电压基准本身的不规则波动幅度，直接制约了本身的性能，制约了使用其为基准的仪表的精度性能。

有的电压基准最低输入输出电压差不能太小，只能提高电源电压。

多数基准的电源电压抑制比也不是很高，容易受电源波动的影响。

现有高精度电压基准中，往往只能做成某一种定值，因为只有特定的电压值有最好的性能；如6伏左右特定的深埋稳压管与三极管能构成良好的电压温度补偿，低频噪声很低；这类基准往往不能轻易改变电压值，因为调整电压值的电路容易降低基准的精度，因而常常不能直接提供特定产品所需要的电压值。如八位半高精度万用表需要10V的电压基准，但所采用的高精度深埋稳压管的LTZ1000这类基准只能做成7V左右，并没有10V电压的基准，故仪表只能对7V的基准进行高精度升压，提高了成本与线路复杂程度。

现有技术用三极管做高灵敏度温度检测时，往往用电阻分压给基极提供参考电压，但这种分压受电源影响大，故其检测的重复精度受制于电源，难以比电源精度更高，这就提高了对电源精度的要求。

现有方法用三极管基极检测某处电位时，因三极管Vbe温度系数大，导致精度很低，限制了许多应用；对精度要求高的只能配对使用，检测电位差。温度系数使三极管进行信号处理时的温度补偿电路变得复杂，往往需配对来消除影响。

在现有PN结、肖特基结相关产品的应用中，只有光敏管、稳压管是在反向状态工作的，但利用的都不是反映其温度特性的反向电流，尚未有利用PN结、肖特基结在正常反向电压时随温度基本呈指数型变化的反向电流进行工作的公开方法。例如，在提起肖特基低压降的优点时，往往会提起其有反向电流大的缺点，而不称之为特点。因为在现有对肖特基二极管的应用里，肖特基二极管具有比较大的反向电流的特点从来没有被利用过，仅仅是因为需要利用肖特基二极管压降低、噪声低、开关速度特别快的优点时不得不接受而已。

发明内容

上述问题通过本发明对PN结、肖特基结的新型使用方法得以很好的解决，这种方法就是对PN结、肖特基结这类势垒结随温度呈指数型变化的反向电流的应用。通过本发明让势垒结本身的正向视在电压温度系数得以大幅改变或变得接近零电压温度系数，使原来随温度而易变的电压成为一个稳定的电压，使它们本身就变成高精度的电压基准，以得到很多新的应用，对温度变化的灵敏度、测量重复精度也可以更高。当需要更高的精度时，附加调整反向电流值的电路及检测、反馈、放大、控制电路来进一步提高性能。

本发明包括第一组电路组件，其特征为含有低于或远低于击穿电压的反向电压状态下工作的PN结、肖特基结这类势垒结（以下简称反向势垒结），能产生随温度变化而基本呈指数型变化的反向电流，给第二组用以接受这种电流来完成某些功能的电路提供电流。这一组电路可以是反向使用的PN结、肖特基结中的一种或全部，可以是单一品种也可以混合使用；可以是单个的元件，也可以是多个元件串并联组合，用以组成不同大小的电流、不同的温度-电流关系、适应不同的要求。这种元件本身具有恒流性、反向电流随温度变化而基本呈指数型变化的特性；为优化输出性能，还可配以其它辅助电路；还可增加用以调整反向电流的特性的电路。调整电流的方法，可以改变反向势垒结两端电压、与反向势垒结并联有特定温度-电流特性的电路，改善提供给第二组电路组件的电流-温度关系的电流，使这种随温度呈指数型变化的电流能更高精度，更宽温度范围内满足第二组电路的温度补偿要求；还可以通过具有温度-电流程序的电路根据温度信号单独或与其它调整电路组合进行调整。对反向电压调整，可以是与反向肖特基、PN结串联电阻，也可以是通过检测与控制反向肖特基、PN结的电压实现调整。

第二组电路组件，是用来接受第一组电流及实现所需功能的电路组件。接受电流信号根据需要不同可以是各种电子元件或电路组件。可以是电阻、反向势垒结、场效应管、也可以是正向使用的PN结、肖特基结、处于稳压状态的稳压管中的一种或数种；可以是单一品种也可以是多种混合使用；可以是单一的元件，也可以是多个元件串并联组合。这一组电路还可辅以其它电路完成信号采集、放大、调整、控制、输出以改善性能与达到特定功能；这一组电路中，当接受电流的主要组件为电阻、反向势垒结、场效应管这类非稳压元件时，可以产生非常灵敏的温度信号，用于需要更灵敏的温度检测与补偿，特别是用于恒温的检测，对温度的微小变化非常灵敏。当这一组电路为稳压势垒结时，在这种随温度呈指数型增加的特定电流下稳压势垒结自身电压温度系数会发生明显变化，产生新的温度系数的电压，可与未补偿或不同程度补偿的稳压势垒结间形成的电压差用于测温等功能；这种新的温度系数还可以根据需要调整成几乎零温度系数的稳定电压，使PN结、肖特基结这类稳压势垒结得以用于原先未能完成的高精度电压基准功能、稳定的直流信号处理功能及其它需要稳定电压才能完成的功能。

对第一组电路电流的改善调整，可以通过各种方法控制、调整反向势垒结的材质、工艺、结的面积大小等生产要素以及控制、调整反向势垒结两端电压的大小及变化，以此调整反向电压-电流比、调整反向电流-温度曲线、反向电流大小以改善、控制第二组组件所需的电源电压抑制比、电流大小、电压大小、电压温度补偿系数等参数。

对第二组电路中的改善调整，可以通过各种方法控制、调整稳压势垒结的本身材质、工艺、结的面积大小等要素以及附加电路控制、调整稳压势垒结电流的大小及变化，以此调整其电流-电压曲线、电压大小、电压温度系数等参数。

势垒结面积的调整与控制，包括制造时的控制，也包括通过特定方法与结构，在使用中及调试时进行调整，如附加引脚进行外部连接调节，通过内部模拟开关调节，以实现改变与精准调整温度系数与输出电压。

调整反向势垒结两端电压可以是调整某一定值以精密调整正向势垒结的电压值及温度系数，也可以是随温度而变化的电压值，用以优化温度系数补偿，也可以是多种调节的组合；调整方法可以是串入或并联阻值稳定的电阻也可以是有特定温度系数曲线的电阻、调整线路中串入或并联稳压势垒结等方法以改变温度-调整电压的线性度；也可以是通过检测与控制反向肖特基、PN结的电压实现调整。

第二组电路为稳压势垒结，并使其温度系数趋向0时，即构成电压基准。可以通过选择势垒结的种类与串并联个数，按需要组成的基准电压可低至0.3V以下，高至十多伏甚至更高的电压基准，如图4、图6示例。当第一组电路电流与三极管C极连接时（附图7），可以大幅改变三极管Vbe的温度系数，与不同补偿或未补偿温度系数的三极管形成温度系数差，用于温度检测；也可使三极管Vbe的温度系数趋向于0，可以使三极管be极能准确的传递电位，扩大三极管的应用。

这种方法的电压基准，适宜制成低压差电压基准；可以通过将两路的正向PN结、肖特基结分别配置在电路的正端与负端，实现对反向肖特基、PN结电压的精确、高灵敏度的检测与控制，并可附加采集温度、电压、电流信号，调整、放大、处理、输出电路形成极低噪声、高精度电压基准，并且可组成各种所需电压，又可以通过调整第一组电路的温度-电流关系实现对输出电压温度系数精准微调，当负责放大、反馈、控制的运放、处理电路的电源使用本身基准电压供电时，更可以变成超高电源抑制比以及可以对负载高精度并联稳压而不必另外提供电源，扩展基准电压的使用范围，如图5示例。

可以用于具有高精度温度检测的电路。由于这种电路本身有很好的稳压作用，受电源精度影响大幅降低，因此在电源精度不高时可大幅提高重复精度。其方法可以用两组本发明方法产生明显不同温度补偿程度的正向势垒结间形成的电压信号用于精密温度测量，也可以用本发明方法进行温度补偿后的电压信号与未补偿的电压之间的信号进行温度精密检测。可根据需要将正向势垒结作为感温元件，也可以用反向势垒结作为感温元件，也可以集成在一起共同感温。

电路中核心反向势垒结、感温元件、稳压势垒结为等温状态，其温度补偿性能很大程度上依赖于温度的均匀性。如果需要更精确的处于等温状态，可以把一个功能的元件分为按受温度影响呈对称的形状分布的数个元件，使形成温补的元件、感温元件对温度的变化处于同步状态，以使形成温补的元件、感温元件不仅在外界温度较稳定时能精确等温，也使外界温度变化剧烈时，这些元件的温度变化处于同步状态，同样能很好的保持精确的温补功能；其它元件可以根据需要选择与核心元件处于等温或者不需等温的外部电路；当第一组电路用具有温度-电流程序控制的电路给第二组提供电流时，温度检测元件与第二组的稳压势垒结元件为等温状态，其它元件可以根据需要选择等温或处于不需等温的外部电路；所述电路还可以通过温度测量元件检测温度变化并通过增加恒温控制电路，使核心元件处于恒温状态，以制成温漂更优异的电压基准。

对于高精度电压基准，对长期稳定性也要求很高。使用前进行老化处理是很有益的。可以将其全部或部分核心电路元件用较高温度下（如170℃）进行一次或数次加速老化的方法进行老化处理，能明显提高后续使用的长期稳定性。在制造中，通过工艺控制提高用于电压温度补偿的反向势垒结与正向势垒结的长期老化性能的同步性，能大幅提高高精度电压基准的长期老化性能。

附图说明

图1为本发明专利的原理说明图。

图2为势垒结新型使用方法的电压温度补偿组合单元图。

图3为使用中一种调整势垒结面积的连接示意图。

图4为不同电压值基准示意图。

图5为用本发明方法组成的高精度、极低温漂、极低输出内阻、极高电源电压抑制比、极低噪声的1V电压基准电路示例图。

图6为电压值可低至0.3V的高精度电压电路示意图。

图7为小信号放大用电压温度系数补偿三极管单元图。

图8为测温电路示意图。

图9为实测肖特基二极管0~11 V反向电压-电流关系实测图。

图10为实测肖特基二极管0~1.2V反向电压-电流关系实测图。

图11对图9所测结果计算(dV/V)/（dI/I）值与两端电压的关系图。

图12为实测MBR3045CT温度-反向电流图。

图13为图2b配对后的温度系数-温度关系测试图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略及类似结构在其中一个图中已展示过，在另一个图中进行省略是可以明白的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，以有助于公众对势垒结新型使用方法的理解。在下面的说明中，正向势垒结以双极型三极管的be极（C极与b极连接或不连接）为代表，反向势垒结以肖特基二极管为代表进行说明。

图2a为最简单的本专利势垒结新型使用方法的示例。当肖特基二极管D与双极型三极管Q（以下无特别说明简称为三极管）参数合适时，在室温下，三极管Vbe的温漂在十多度的宽度范围可以达到仅1ppm。因为组合单元中的肖特基二极管与三极管都一样是温度敏感元件，故两种元件应该集成在一起，如果对性能要求更高，则可以将图中的一个元件实际分成数个元件，按对温度传递的对称性进行分布，以确保两种元件对温度的变化具有良好的同步性，使得在温度不断发生变化的动态过程中也能达到良好的温度补偿。根据PN结电流密度与温度系数的0.086ln(I1/I2) mV/℃的关系，在其它条件不变的条件下，只要通过调整反向肖特基的结面积与正向势垒结的面积比例，就可以达到使组合后的温漂在某个温度点接近零温度系数。这在生产中是很容易控制的。假如因制造误差为匹配结面积的±5%，那么产生的电压温度系数偏移±0.086ln1.05=±4.2uV/℃。如果要达到很精密的配对，可以采用如图3所示例的结构，所附加的用作调整的势垒结面积可以根据所需精度取制造误差的1/2、1/4、1/8、1/16以此类推。可以在调整时确定选择所需组合的连接点，如图3所示意。例如附加制造误差的3/4最配对，就连接1/2与1/4。这种连接可以是焊接也可以通过模拟开关控制。此方法对图中正向势垒结Q一样适用。

由于势垒结反向使用时，其反向电流是基本呈指数型增大的，而实际正向PN结、肖特基结都有一定的欧姆电阻，在温度较高时，随着电流数值的快速增大，肖特基二极管提供的反向电流引起正向PN结、肖特基结欧姆电阻上的压降也会呈指数型增大，因此，在温度高时温度电压补偿效果迅速变差，电压温度系数迅速向正的方向变化，例如0.5mA电流时在0.8欧PN结欧姆电阻上的压降将达到500uV，这误差是很大的。为了消除这种影响，在图2b的应用中串联了电阻R1。R1与三极管Q2的欧姆电阻上压降同步变化，都正比于电流。在Vdd2不变的情况下，R1上的压降使肖特基D2上的电压降低值正比于电流，肖特基两端反向电压的降低发过来使肖特基D2的反向电流降低，最终降低了三极管Q2上理想PN结压降与欧姆电阻上的压降。R1值的选取与Vdd大小、肖特基二极管的性能、三极管的内阻都有关系。当肖特基两端反向电压在0.2V到1V之间时，R1配对阻值约是Q2欧姆阻值的一、二百倍。R1可以与Q2、D2集成在一起，也可以由外电路构成。在R1合适后，0~80℃的范围电压温度系数变化可达4ppm以下（图13），表现出了很好的电压温度补偿性能。

在multimeter仿真软件里，输入反向肖特基与低噪声三极管2N5087的连接，发现电源使用1V与5V时，2N5087上的电流、电压完全不变，竟然完全不受外接电源电压影响了；仿真软件里的肖特基不少型号的反向电流与实际值也相差很大，如1N5825的反向电流达700uA,2N5087上压降达656mV，比实际值大很多，用反向MBR3045CT两只并联（在二极管型号中）时与实际值比较接近，反向电流：6.212uA, 2N5087上压降：533.793mV，但反向电流也不随电压而变，也是不符合实际的。猜测原因是现有实际电路中，因为缺少利用反向电流进行工作的应用，故仿真软件对反向电流的实际数值没有重视，并且对反向电流值不管多大反向电压都以在额定最高反向电压时或其它某一反向电压值时的反向电流代替，导致了反向电流大幅偏离实际数值。

图9、图10为对一种肖特基实际测量的反向电压-电流曲线图，图11是（dV/V）/（dI/I）计算图，不同耐压、不同质量的肖特基在某特定电压时的dV/dI会有比较大的区别，但在小电压时（如0.5V）区别较小。根据图11的计算结果，在两端电压为0.15~1V这样较低的电压时，恒流特性较好；虽然在约0.2V时最大，但因为此时本身V值小，dV/dI比电压较高时反而略小，在0.2V以上dV/dI变化平缓。 因为这种一定程度上的恒流特性，一方面可以使：反向肖特基与三极管C极连接时，如图5中Q52与D52的连接，图7中Q71与D71的连接，由于（dV/V）/（dI/I）有好几倍甚至十几倍，三极管C级的电压放大倍数比C极是电阻负载时增加了相近的倍数（C极电流变化不大），大幅提高了电压放大能力；另一方面，通过调节反向肖特基两端的反向电压，利用这种一定程度上的反向恒流特性达到精确调节反向电流的结果，反向电流再经过be结稳压后，得以更精确的调节三极管的Vbe值，达到更精确的调节电压基准电压值的大小及温度系数；如果这种电压调节本身是随着温度变化的，也就达到了精确调节温度系数的目的；如图5中通过改变R54与R55的电阻比，可以改变R55的压降，从而改变由Q54基极控制的肖特基D52的电位，D52的反向电流也随着出现少量变化，从而引起Q52的Vbe变化，实验中，R55的电压变化150mV,会引起输出Vref 1mV的变化，从而实现精调输出电压；感温三极管Q53通过R53、R55的限流，产生随着温度的变化而变化的电流，同样道理，最终影响Vref输出的变化，因为这个变化随温度而变，所以可实现温度系数的精确调整。同样的，当R55上电压出现150uV/℃的变化时，会引起输出Vref 1uV/℃即1ppm/℃的变化。故这种电路可以在反向肖特基与三极管没能很好配对时也能实现对温度系数非常精确的调整。根据实际电路产生的温度系数的变化情况，配以合适的温度系数调整电路，以对温度系数的非线性也得到补偿，可进一步降低电压温度系数；也可再附加温度-程序控制电流给R55提供调整电流，可非常灵活的在全使用温度范围内精准的给予电压温度系数补偿。很明显的，对R51、R52提供调整电流，其调整灵敏度是类似的。但因为R51、R52电阻较小，调整时会需要较大的电流。外界电压经过反向肖特基二极管的恒流作用及三极管正向PN结的稳压作用后，波动值大幅降低，因为三极管PN结及肖特基的低频噪声都可以达到极低，所以保证了这种结构可以得到极低的低频噪声。经测试，单只2N5087三极管bc极短接，在稳定小电流时低频波动仅0.02uV。因为调节电压可以很方便的通过各种特性的电路提供，所以能根据对性能的不同要求而采用不同的调节电路。又由于可以通过调节使某个需要的温度点处于0温度系数，故这种电压基准如果增加对核心部分的加热或电子制冷-制热的恒温控制，并保持在这个温度点，电压基准的温度系数将达到可以忽略的程度。

在图5高精度1V电压基准电路中，R51、D51、对Q51实现电压温度补偿，Q51的电压为0.5V，R52、D52则对Q52的Vbc进行电压温度补偿，而Q53、R53、R55则为附加温度系数调整，可以对整体的电压温度补偿误差通过改变R53、R55电阻比来精密调整，对非线性误差也可以改变Q53的参数、改Q53参数或改为为其它温度敏感元件、改变调整电路组合等方法进行精密调整。Q52与R52、D52的这种组合，也就是图7所示的单元，三极管Q52的C极接反向肖特基D52后，不仅使Vbe电压温度系数得到补偿，使Q52能准确的放大来自基极的电压信号，由于反向肖特基的恒流特性，还使电压放大倍数增加好多倍。在图5的电路中，Q52的be极与Q51构成电压检测回路，回路中没有其它元件，使得电压检测灵敏度非常高，Vref略有偏移或波动就有灵敏的反应，限制其灵敏度的因素只有Q52、Q51本身be极本身极低的低频噪声。图中，Vcc为外部电源，Vdd为电流输出端，给负载提供高精度电压、电流，GND为公共端，Vref则为接近电压取样三极管Q51、Q52端子的电压精准输出端，Vdd负载输出的电流不流经+Vref、-Vref组成的回路，Vdd输出电流的线路压降对Vref几乎不构成影响。当Vcc接外部电源时，就构成串联稳压基准，最低压差仅仅是场效应管N-JEFT的最低压降。

图5电路经实际测试，具有极高电源直流电压抑制比，输出1.00V,空载时电源电压从1.05V到12V，Vref输出变化小于0.2uV；负载输出10mA时，因耗尽型场效应管N-JFET的压降，因此需略提高最低电压，电源电压从1.2V到12V，Vref输出变化也一样小于0.2uV。动态电阻极低，输出10mA, Vref变化小于1uV。0.1到10Hz的1/f噪声极低，峰-峰值可低达0.1uV，大幅低于现有公开的固态电压基准。

图5所示电路还可以对较大电流的负载（如常温下负载可提供100uA旁路电流）进行并联稳压，用Vdd、GND端子与负载并联即可，由Q55执行控制电压功能；如果专门用于并联稳压，可省略N-JFET。反之，如果对旁路电流功能没有要求，也可省略Q55这一组电路。

图5的高精度电压基准电路需其它电压时，可如图4示例通过势垒结的不同组合略加改动即可达到。从图9、图10、图11中可以看出，当反向肖特基反向电压大于1V时，电压相对变化dV/V与电流相对变化dI/I的恒流效果已明显变差，其反向电流-温度关系与反向饱和电流-温度的关系的偏离会增大。故当用数个三极管Q串联成较高电压时，虽然用单个反向肖特基D也能提供温度补偿反向电流，但温补指标往往会变差。而用数个反向肖特基串联而成，还可以增强恒流效果，增大电压放大倍数。很明显，也可以不增加反向肖特基串联个数，而对单个肖特基在低反向电压下提供的反向电流形成恒流电路，也可使反向肖特基的反向电压、反向电流受串联正向PN结、肖特基结个数、基准电压大小的影响大幅降低。同样道理，图5中，也可将单个D51、D52分为两个反向肖特基串联而成。改变反向肖特基的反向电压工作区间对电压温度补偿的温度曲线会有所影响。

当需要电压特别低的高精度电压时，可用图6所示意的电路，输出可低至0.3V以下（图中未画出调整电路）。

图8的测温电路示意图中，a为现有的一种用于恒温控制的高灵敏度温度变化检测方法。Q81为感温三极管，测量的参照基准由R81、R82分压提供，因R81、R82对电源Vdd1没有稳压作用，故重复精度取决于电源Vdd1精度，不能比电源精度更高。图b为本专利将感温三极管Q83的测量参照基准改为由电压基准D81、Q82稳压后提供，对电源依赖性大幅降低。图C中反向肖特基D82与三极管Q84的b极相连，其结构参数可与图2a相同，但c极与b极不连接，D82与Q84同时感温，由于反向电流对温度变化非常灵敏，常温约8℃就增大一倍，再经Q84的放大作用，灵敏度可达ppm级的温度变化，改变R85及R86，可改变所需测量的温度，，很明显，R85及R86可用恒流代替，此方法适宜高灵敏度温度检测（如高精度恒温控制）。

根据PN结、肖特基结的电压、电流公式：I=Is(expV/VT-1), V为电压，VT=kT/q称为温度电压当量，其中，k为波尔兹曼常数K=1.38 × 10^（-23） J/K，T为绝对温度，q为电子电量，q=1.60×10^（-19）C在室温下300K时，VT=26mv。当V不小于0.15伏时， expV/VT>>1，将公式略减为：

Id= Isd*expVd/VT ，Iq=Isq* expVq/VT (1) 。

两边取对数后可得：

Vd=VT*ln（Id /ISd）, Vq=VT*ln（Iq/ISq） (2)。

当Id= Iq时，由（1）可得：

Isd*expVd/VT=Isq* expVq/VT

两边取对数可得：

Vq- Vd= VT*ln（Isd/Isq） （3）。

Id为肖特基正向电流，Isd为肖特基反向饱和电流，Vd为肖特基电压; Iq为三极管（bc极短接）Q的正向电流，Isq为三极管Q的反向饱和电流，Vq为三极管Q的电压。

在相同的合适的小电流如1mA时，三极管Q压降VQ与肖特基正向压降Vd差往往达0.3V到0.5V。这意味着两者的反向饱和电流的巨大差别，由（3）可得其倍数为：

Isd/Isq =exp（Vq-Vd）/ VT （4）。

当室温下压降差为0.5V时，由（4）得反向电流倍数为：exp(500/26)=2.24*10^8倍。

当反向肖特基与Q串联时，三极管Q的电流由反向肖特基的反向电流Id提供，在较低电压下反向电流Id与反向饱和电流Isd虽然有差别，但比较接近，故两者串联后，三极管Q的电压约等于相同小电流测试所得的电压差Vq-Vd,一般大约在0.3V~0.5V的级别，实际测试也是如此。例如用万用表二极管档测得三极管正向压降为0.65V，肖特基正向压降为0.15V，那么将这个肖特基反向与三极管串联，接入较低的如1V 的电源，三极管的压降就约是0.65-0.15=0.5V，并且三极管的电压温度系数将得到肖特基反向电流的明显补偿。

在PN结、肖特基结的电压、电流公式中I=Is(expV/VT-1)，其中，Is是温度的敏感变量，随温度升高基本呈指数增大。常温下，Is 8~10℃就会相差一倍。见图12，表格中第三行是每相隔5℃的电流变化比。PN结、肖特基结在正向恒流下，具有类似的负电压温度系数，也就说明PN结、肖特基结的Is具有类似的温度-电流关系。当把反向肖特基与正向PN结串联时，PN结的电流由反向肖特基的反向电流提供，在低反向电压下，将反向电流近似作为反向饱和电流代入，这样，式子（2）变为

Vq=VT*ln（ISd /ISq） （5）。

与式子（3）的右边是一样的。Vq的电压温度系数将由VT项与ln（ISd /ISq）项共同决定。将（5）等式两边对温度T微分：

dVq/dT= ln（ISd /ISq）*dVT/dT+VT*dln（ISd /ISq）/dT

由式子（5）得：ln（ISd /Isq）= Vq/ VT （7）。

当式子（6）中Vq等于500mV，T=300K的常温时，ln（ISd /Isq）=500/26=19.2

VT= kT/q =26

代入式子（6），得：

dVq/dT=0.086*19.2+26 *d ln（ISd /ISq）/ dT

如果在T=300K，Vq=500mV的状况下，三极管电压温度系数为0，即dVq/dT=0，则有

dln（ISd /ISq）/dT=-1.65/26

=-0.064 （9）。

从式子（6）、（9）可以看出，组合后的电压温度系数前一项是正温度系数，后一项是负温度系数，Vq的电压温度系数可以通过改变ln（ISd /ISq）值进行调整，即可通过反向肖特基与正向三极管的材质、工艺、结面积的比例等进行调整，其温度系数为0.086 mV /℃，这与带隙原理是一致的。当ln（ISd /ISq）偏大时，dVq/dT为正温度系数；当ln（ISd /ISq）偏小时，dVq/dT为负温度系数。故本发明在制造时可很容易通过结面积的配合使反向肖特基将正向PN结、肖特基结的温度系数补偿低至接近于0，再配以其它调整电路即可按需使某个温度点为精确的0（1℃范围可达0.1ppm）电压温度系数。这对经常在某个温度区间使用或恒温状态下使用是非常有利的。这使得在恒温下使用时，将这个点的温度设置为与恒温温度相同，那么其整体的电压温度系数将可以达到可忽略的程度。

经过对数种型号的肖特基进行测试，常温下大都在串联后Vq＝500mV附近电压时，温度系数趋向 于0，但根据性能不同有所区别。根据用图2b的连接方法，在R值合适后，从室温到80℃都可以得到比 较平稳而非常低的电压温度系数的结果(图13)，这也说明式子(6)中两温度系数项在比较宽的温度范围 内能基本抵消。

由式子（5）可知，补偿后三极管Vbe所得的电压值取决于反向肖特基与三极管的反向饱和电流比ln（ISd /ISq），当两者变化同步，如正向三极管Q与反向肖特基D的结面积同时降低一半，并不会影响Vbe值。故在制造工艺、材质选择上尽量使正向三极管Q与反向肖特基D具有相同的老化性能，对提高电压基准的长期稳定性是很有好处的。

对补偿后仍然存在的残余电压温度系数可通过常规的温度系数调整方法通过调整反向势垒结两端电压来改变势垒结提供的反向电流大小进行调整，也可与反向势垒结并联而给正向稳压势垒结提供调整电流的电路进行调整。根据本发明的原理，也可用温度-特定程序电流的可编程电流供给电路进行电流调整甚至直接代替反向肖特基结给稳压势垒结供电，也同样符合本发明的原理。

本发明方法因为在温度较高（如100℃）以上时 ，因需提供的温度补偿电流急剧增大，势垒结的电压-电流关系偏离理想状态的情况加剧而不利于本发明的应用，而在室温下使用时，核心部分仅耗用uA级甚至更小的电流。

本发明为一种基础性的应用方法发明，以上例举及说明仅仅是为了公众更好的理解本发明，其具体使用、调整 连接、组合方法是不胜枚举的，可以根据需要及具体的实际数据依据本发明原理而采用各种方法，以及应用于本说明例举中所未能提及的应用，只要在本发明本质范围内，都属保护范畴。

Claims (10)

1.PN结肖特基结的新型使用方法，包括：

第一组电路组件，用于给第二组电路提供特定温度性质的电流，其特征为电路中含有利用低于反向击穿电压下工作的肖特基结、PN结并利用其随温度的增加而基本呈指数型增大的反向电流给第二组电路提供电流，所用反向工作的PN结、肖特基结可以是单一品种也可以是混合使用；可以是单个的元件，也可以是多个元件串并联组合，并可以附加电路对这一组电路的电流值进行调整，调整值可随温度变化而变化；

第二组电路组件，是用来接受第一组电路的电流并可附加采集其它信号及实现所需功能的电路组件。

2.如权利要求1所述的第一组电路的调整，其特征为可以是对反向PN结、肖特基结的反向电压调整一个固定值，也可以是随温度变化而变化；还可以是与反向PN结、肖特基结并联调整固定的电流值或随温度变化而变化的电流值。

3.如权利要求2所述的调整电路，其特征为可以是与反向肖特基、PN结串联电阻实现反向电压调整，也可以是通过检测与控制反向肖特基、PN结的电压实现反向电压的调整；可以是并联电阻、电阻与温度敏感元件的组合电路、受温度控制的程序电流组件进行电流调整。

4.如权利要求1所述的第二组电路，其特征为接受电流信号的元件可以是电阻、三极管、反向使用的PN结、肖特基结、恒流元件及它们的组合，可以灵敏的检测第一组反向PN结、肖特基结反向电流的变化，实现温度-电流信号的检测。

5.如权利要求1所述的第二组电路，其特征为接受电流信号的元件可以是正向使用的PN结、肖特基结，反向稳压状态的稳压管，可以是单一品种也可以是混合使用；可以是单个的元件，也可以是多个元件串并联组合，在接受第一组电路提供的特定性质电流下，大幅改变自身电压温度系数或使自身电压温度系数变得极低，并可附加采集温度、电压、电流信号，调整、放大、处理、输出电路形成低噪音、高精度电压基准。

6.如权利要求1或5所述的电路，其特征为可以通过PN结、肖特基结的制造误差补偿端，使PN结、肖特基结可以进行实际使用结面积的调整，以获得更精准的性能。

7.如权利要求5所述的电路，其特征为可以通过将两路所述电路的正向PN结、肖特基结分别配置在电路的正端与负端，实现对反向肖特基、PN结电压的精确、高灵敏度的检测与控制，并可附加采集温度、电压、电流信号，调整、放大、处理、输出电路形成极低噪声、极高电源电压抑制比、高精度电压基准；合适条件下，还可实现对负载高精度并联稳压而不必另外提供电源。

8.如权利要求1所述的电路，其特征为当第二组电路为三极管C极时，可以大幅改变三极管Vbe的温度系数，也可使三极管Vbe的温度系数趋向于0，可以使三极管be极能更精密的测量温度或准确的传递电位，扩大三极管的应用。

9.如权利要求1所述的电路，其特征为核心反向PN结、肖特基结、感温元件、正向PN结、肖特基结为等温状态，如果需要更精确的处于等温状态，还可以把一个功能的元件分为按受温度影响呈对称形状分布的数个元件；其它元件可以根据需要选择与核心元件处于等温或者不需等温的外部电路。

10.如权利要求1或7所述的电路，其特征为可以通过温度测量元件检测温度变化并通过增加恒温控制电路，使核心元件处于恒温状态，以制成温漂更优异的恒温电压基准。