Полупроводниковый датчик температуры

 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и позволяет расширить диапазон рабочих температур . Тензочувствительный элемент 1 выполнен из карбида кремния в форме скобы переменного сечения с эпитаксиальньм р-п-переходом 2, сформированным на ее основании и обеспечивающим постоянство знака механической нагрузки по всему р-слою. При помещении датчика в тепловое поле тензочувствительный элемент 1 испытывает деформирукщее воздействие со стороны термочувствительного элемента 3, выполненного в виде призмы из керамики. Эта деформация приводит к изменению электрического сопротивления эпитаксиального слоя 6, легированного бором, используемого для определения температуры объекта Элементы 1 и 3 соединены или через термокомпенсирующий слой 4, выполненный из хрома, либо на.неподвижной посадке. 3 ил. Ю со - СП

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1% (111 (51)4 С 01 К 7/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3733222/24-10 (22) 25.04.84 (46) 30.11.86. Бюл, 0 44 (72) В.И.Чепурнов, А.Н.Комов, В.lo.Кочетков, А.И.Колпаков,В.Г.Влатов, В.И.Смыслов и А.А.Соколова (53) 536.53 (088 ° 8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 347594, кл. G 01 К 7/22, 1972.

Авторское свидетельство СССР

У 972258, кл. G 01 К 7/00, 1980. (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ТЕИПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к полупроводниковой электронике и позволяет расширить диапазон рабочих температур. Тензочувствительный элемент 1 выполнен из карбида кремния в форме скобы переменного сечения с эпитаксиальнмм р-и-переходом 2, сформированным на ее основании и обеспечивающим постоянство знака механической нагрузки по всему р-слою. При помещении датчика в тепловое поле тензочувствительный элемент 1 испытывает деформирующее воздействие со стороны термочувствительного элемента 3, выполненного в виде призмы иэ керамики. Эта деформация приводит к изменению электрического сопротивления эпитаксиального слоя 6, легированного бором, используемого для определения температуры объекта. Элементы 1 и 3 соединены или через термокомпенсирующий слой

4, выполненный иэ хрома, либо на.неподвижной посадке. 3 ил.

1 127375

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и технике измерения температуры и может быть использовано в измерительных системах как первичный преобразователь темпе- 5 ратуры.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочих температур.

На фиг.1 изображен предложенный датчик, общий вид; на Аиг.2 — то же, вариант выполнения; на Аиг.3 — его типичная термометрическая характеристика — зависимость сопротивления от температуры.

Датчик содержит тензочувствительный элемент 1, выполненный из карбида кремния в Аорме скобы переменного сечения с эпитаксиальным р-Il-ïåpåxîäoì

2, сформированным на ее основании, термочувствительный элемент 3, выпол- 2О ненный в Аорме призмы из керамики.

Термочувствительный элемент 3 соединен с тензочувствительным элементом 1 своими торцами на неподвижной посадке (фиг.2) или сплавлен с ним через термокомпенсирующий слой 4, выполненный из хпома.

Кроме того, датчик содержит электрические выводы 5, размещенные вдоль эпитаксиального слоя 6 р-п-перехода.

Выполнение тензочувствительного элемента 3 из карбида кремния обусловлено тем, что этот обладающий тензосвойствами полупроводниковый материал имеет ширину запрещенной зоны 2,235

3,1 эВ в зависимости от политипа. Такая ширина запрещенной зоны вместе с термостабильностью (в отличие, например, оч алмаза), делают полупроводник и р-и-переходы в нем работоспособными

40 до очень высоких температур (по теоретическим оценкам до 1973 К).

Необходимость формирования р-и-перехода 2 вызвана особенностями тензоэффекта в полупроводниках: при изме45 кении знака нагрузки коэффициенты тензосопротивления также меняют знак, сохраняя свое значение по абсолютной величине. В отсутствии р-и-перехода при повышении температуры верхняя

50 часть предлагаемого полупроводникового датчика температуры оказывается сжатой,а нижняя — растянутой, т.е. суммарное действие механической нагрузки на сопротивление объема тензочувствительного элемента равно нулю.

При наличии же р-слоя 6 на и-подложке используется лишь изменение сопротивления данного слоя, причем р-слой

О 2 работает лишь на растяжение (при

Т Т„ „) либо на сжатие (при Т>Т„, ), т.е. механическая нагрузка на р-слой, изолированный от и-подложки р-п-переходом, оказывается постоянного знака по всему сечению р-слоя.

В качестве легирующего элемента при создании р †сл 6 использован бор, имеющий высокую растворимость в карбиде кремния, а также достаточно большую энергию ионизации (0,39 эВ), что обеспечивает экспоненциальный спад удельного сопротивления до температур порядка 873 К. Вследствие того что электрические выводы 5 расположены по обе стороны области деформации тензочувствительного эпитаксиального слоя 6, тензоэАфект приводит к дополнительному уменьшению его сопротивления и в области температур

873- t973 K является основным источником изменения сопротивления преобразователя.

Нижний предел концентрации легирующей примеси бора обеспечивает только компенсацию неконтролируемых донорных примесей в процессе эпитаксии, но и работоспособность р-и-перехода во всем диапазоне температур, Верхний предел концентрации бора ограничен .предельной растворимостью бора в карбиде кремния (3 10 " см ).

Материалом термочувствительного элемента может являться любая керамика с коэфАициентом температурного расширения, превышающим коэффициент температурного расширения карбида кремния (5,94 10 см/град).

Термокомпенсирующий слой 4 обеспечивает механическую прочность конструкции датчика и жесткую взаимосвязь элементов с разными коэффициентами температурного расширения, т.е. тензочувствительного t и термочувствительного 3 элементов.

Датчик температуры работает следующим образом.

Датчик помещают в тепловое поле, при этом разогреваются все элементы конструкции датчика, в том числе тензочунствительный 1 и термочувствительный 3 элементы и термокомпенсирующий слой 4.

Термочувствительный элемент 3 выполняет роль источника деАормации. По мере разогрева он увеличивается в размерах вследствие теплового расширения

1273750 (в соответствии с коэффициентом температурного расширения материала).

Тензочувствительный элемент 1 по мере разогрева в температурном поле также изменяет свои линейные размеры в соответствии с коэфАициентом температурного расширения карбипа кремния, равным (5,12-5,94) 10 см/град.,кроме того изменение температуры тензочувствительного элемейта 1 сопровождается и изменением его электрофизических свойств, обусловленных как свойствами карбида кремния (ширина запретной зоны), так в основном свойствами легирующей примеси (энергией 15 ее ионизации), Так как эпитаксиальный слой 6 электрически развязан с под-. ложкой р-и-переходом 2, то наблюдается экспоненциальное уменьшение сопротивления легированного бором эпи- 20 таксиального р-слоя 6 в соответствии с температурным коэААициентом сопротивления. Вследствие разных температурных коэфАициентов расширения сочлененных элементов конструкции дат- 25 чика: термочувствительного 3 и тензочувствительного 1 элементов — последний испытывает деАормирующее воздействие со стороны термочувствительного элемента 3. Эта деформация сопровож- 3б дается изменением электрического сопротивления эпитаксиального слоя 6, легированного бором, т.е. тензоэАфектом.

Вследствие того, что электрические выводы 5 размещены по обе стороны области деАормации тензочувстви— тельного эпитаксиального слоя 6, то а ензоэАфект приводит к дополнительному уменьшению его сопротивления (рслой испытывает сжимающее механическое напряжение).

В результате действия обоих факторов (уменьшение сопротивления слоя вследствие ионизации примеси бора и уменьшение сопротивления вследствие тензоэфАекта) суммарное (интегральное) сопротивление слоя 6 продолжает уменьшаться и в области, где бор в основном ионизирован, По интегральному изменению сопротивления р-слоя 6 и по термометрической характеристике датчика определяется температура объекта измерения.

Пример. Полупроводниковый датчик температуры изготовлен с тенэочувствительным элементом из карбида кремния, выполненным в форме скобы переменного сечения 100-250 мкм, р-область р-и-перехода легирована бором 2 (+0,5) 10 см, и-область

t9 азотом 3 5(0,5) 10 см, контакты в р-области выполнены из сплава, ат.,%: алюминий 3; тантал 8; золото 89, контакты к п-области выполнены из сплава, ат.%: тантал 10; золото 90.

Монтажные электроды термокомпрессией соединены с контактами. Термочувствительный элемент из поликора сечением 500 мкм2 через шайбы хрома толщиной 150 мкм сплавлен с тенэочувствительным элементом.

Формула изобретения

Ф

Полупроводниковый датчик температуры, содержащий выполненные из материала с различным коэффициентом температурного расширения плоский термочувствительный элемент и соединенный с ним тензочувствительный элемент, снабженный электрическими выводами, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих температур, тензочувствительный элемент выполнен из карбида кремния в форме скобы переменного сечения с эпитаксиальным р-п-переходом, сформированным на ее основании, а термочувствительный элемент выполнен иэ керамики и соединен с тензочувствительным либо своими торцами на неподвижной посадке или на концевых участках сплавлен с ним через термокомпенсирующий слой, выполненный из хрома, при этом электрические выводы размещены вдоль легированного бором эпитаксиального слоя р-п-перехода.

1273750

Составитель В.Голубев

Техред В.Кадар

Редактор Л.Веселовская

Корректор И.Муска

Заказ 6467/38

Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãîðoä, ул. Проектная, 4