Преобразователь электрического напряжения в частоту

 

Применение: для измерения токов или напряжений с использованием их преобразования в частоту электрического сигнала и измерением этой частоты. Сущность изобретения: устройство выполнено в виде многослойной структуры, состоящей из полупроводниковой подложки 1, диэлектрического слоя 4, затворного 5 и земляного 7 металлических электродов. На полупроводниковой подложке 1 расположен высокоомный полупроводниковый слой с противоположным типом проводимости с толщиной не более диффузионной длины его неосновных носителей заряда. В высокоомном полупроводниковом слое 3 сформированы две низкоомные области 2 с тем же типом проводимости, находящиеся на расстоянии не более пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда слоя. Затворный металлический электрод 5 размещен на диэлектрическом слое 4, расположенном на высокоомном полупроводниковом слое 3 между контактными металлическими электродами 6, находящимися на низкоомных областях 2. Высокоомный полупроводниковый слой 3 содержит мелкую и глубокую примеси противоположного знака, причем отношение концентрации неосновных и основных носителей заряда более отношения времен жизни коротко- и долгоживущих носителей заряда. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к приборам для измерения токов или напряжений, в которых предусмотрена возможность индикации их наличия или направления с использованием преобразования напряжения или тока в частоту электрических колебаний и измерением этой частоты.

В настоящее время в электроизмерительной технике широко используются цифровые вольтметры напряжения постоянного тока [1] В них используются различные первичные преобразователи (датчики) напряжения, общим недостатком которых является то, что их выходной сигнал является аналоговым. Поэтому в состав цифровых вольтметров входят два обязательных узла: АЦП, преобразующий выходной сигнал датчиков в цифровой код в соответствии со значением измеряемой величины, и цифровое отсчетное устройство, отражающее значение измеряемой величины в цифровой форме. В частности, среди цифровых вольтметров наибольшее распространение получили интегрирующие вольтметры, в которых значение измеряемого напряжения сначала преобразуется в частоту электрического сигнала, которая в свою очередь измеряется стандартным цифровым частотомером. Общим недостатком приборов такого класса является их громоздкость, заключающаяся в использовании сложных и дорогостоящих АЦП.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство [2] выполненное в виде многослойной структуры, состоящей из полупроводниковой подложки, диэлектрического слоя, затворного и земляного металлических электродов. На диэлектрическом слое расположен пьезоэлектрический слой с металлическими встречно-штыревыми преобразователями на нем. С их помощью в пьезоэлектрике возбуждаются поверхностные акустические волны. Между затворным электродом, находящимся на пьезоэлектрическом слое, и нижним земляным электродом, находящимся на тыльной стороне полупроводниковой подложки, прикладывается измеряемое напряжение. При этом происходит изменение упругих свойств пьезоэлектрической пленки и изменение частоты преобразователя. Для ее контроля используется частотная автогенераторная схема, когда преобразователь электрического напряжения вводится в цепь обратной связи высокочастотного усилителя. Преобразователь характеризуется следующими параметрами: относительная чувствительность α_f= /df/dv/ 0,0093%B рабочая частота f_o 214 МГц.

Недостатком такого прибора является низкая относительная чувствительность.

Целью изобретения является повышение относительной чувствительности.

Для достижения цели в устройстве в виде многослойной структуры, состоящей из полупроводниковой подложки, диэлектрического слоя, затворного и земляного металлических электродов, на полупроводниковой подложке расположен высокоомный полупроводниковый слой с противоположным типом проводимости толщиной не более диффузионной длины его неосновных носителей заряда, в котором сформированы две низкоомные области с тем же типом проводимости, находящиеся на расстоянии не более пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда слоя, затворный металлический электрод размещен на диэлектрическом слое, расположенном на высокоомном полупроводниковом слое между контактными электродами, находящимися на низкоомных областях, причем высокоомный полупроводниковый слой содержит мелкую и глубокую примеси противоположного знака, а отношение концентрации неосновных и основных носителей заряда более отношения времен жизни коротко- и долгоживущий носителей заряда.

Устройство поясняется чертежом, на котором показаны полупроводниковая подложка 1, низкоомная область 2, высокоомный полупроводниковый слой 3, диэлектрический слой 4, затворный металлический электрод 5, контактный электрод 6, земляной металлический электрод 7.

Материалом высокоомного полупроводникового слоя служит эпитаксиальная пленка полупроводника, содержащего мелкую и глубокую примеси противоположного знака, причем отношение концентрации неосновных и основных носителей заряда более отношения времен жизни коротко- и долгоживущих носителей заряда. Известно, что в таком материале при электрических полях около 10 В/см возбуждается электрическая неустойчивость типа рекомбинационных волн. В электрической цепи, состоящей из источника напряжения постоянного тока, нагрузочного резистора и заявляемого устройства, включенного через контактные металлические электроды, возникают синусоидальные автоколебания тока звуковой частоты, вызванные возбуждения рекомбинационных волн. При подаче измеряемого постоянного электрического напряжения между затворным металлическим электродом и земляным металлическим электродом в полупроводниковом высокоомном слое вследствие эффекта поля в зависимости от знака измеряемого напряжения возникает либо обогащение, либо обеднение носителями заряда этого слоя. В результате изменяется частота синусоидальных колебаний тока. Таким образом, измеряется напряжение непосредственно преобразуется в частоту. Пpи этом устройство обладает большей относительной чувствительностью за счет более низкой основной рабочей частоты. Для возбуждения неустойчивости в эпитаксиальном полупроводниковом слое необходимо, чтобы его толщина была не менее диффузионной длины неосновных носителей заряда. Как показали исследования, рекомбинационные волны возбуждаются в статическом домене сильного поля, длина которого не превышает пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда, поэтому расстояние между низкоомными областями с контактными металлическими электродами на них выбирается не более его (домена) длины.

Пример конкретного выполнения.

Эпитаксиальный слой кремния n-типа, легированный фосфором, толщиной 50 мкм с удельным сопротивлением 20 Ом^.см выращивался на кремниевой подложке p⁺-типа, легированной бором, с удельным сопротивлением 0,01 Ом^.см толщиной 300 мкм. Кремний термически окислялся до толщины пленки двуокиси кремния 0,5 мкм. Далее методом легирования из паровой фазы в откачанных ампулах проводилось легирование кремния цинком, причем выполнялось соотношение < N_Zn< N_p После процесса диффузионного отжига пленка двуокиси кремния удалялась. Удельное сопротивление кремния в процессе диффузионного отжига повышалось до значения 2^.10⁴ Ом^.см, а тип проводимости не изменялся. Концентрация и времена жизни носителей заряда составляли: n=3,1^.10¹¹ см-^3, p=2^.10⁸ см-^3, τ_n= 1,6^.10-² с, τ_p= 3^.10^-6 с. Затем проводилось пиролитическое осаждение пленки двуокиси кремния толщиной 0,1 мкм. Техникой фотолитографии формировались область этой пленки между контактными и окна в окисле для низкоомных областей. Последние области n⁺-типа проводимости создавались методом ионного легирования фосфором (доза 3000 мкКл/см², энергия 40 кэВ) через маску из алюминия толщиной 1 мкм, которая предварительно напылялась на пленку двуокиси кремния, с последующим некогерентным импульсным фотонным отжигом длительностью 5-20 с. Концентрация электронов в этих областях составляла 1^.10¹⁹ см^-3. Далее с обеих сторон пластины напылялся слой алюминия толщиной 1 мкм и техникой фотолитографии на лицевой стороне пластины формировались затворный металлический электрод и контактные металлические электроды на низкоомных областях, расположенные на расстоянии 200 мкм друг от друга. Это расстояние меньше пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда высокоомного полупроводникового слоя, так как диффузионная длина составляет L_р 70 мкм. Далее следует операция скрайбирования пластин на кристаллы размером 1х1 мм², которые с помощью эвтектики золото-кремний сажались на ножку корпуса ТО-18.

Устройство работает следующим образом.

Собирается электрическая цепь из последовательно соединяемых источника питания постоянного тока величиной 20 В, нагрузочного резистора с номиналом 4,7 МОм и устройства по изобретению, включенного через контактные металлические электроды. В цепи возникают спонтанные синусоидальные колебания тока с частотой f_o 2,30 кГц и амплитудой U_o 100 мВ. При приложении измеряемого постоянного электрического напряжения величиной V 5 В между затворным и земляным металлическими электродами происходит изменение частоты колебания тока, причем если знак измеряемого напряжения "-", то Δ f 70 Гц. Таким образом, измеряемое напряжение непосредственно преобразуется в частоту электрического сигнала. Преобразователь характеризуется следующими параметрами: относительная чувствительность α_f 0,61%/В, рабочая частота f_o 2,3 кГц.

Преобразователь напряжения в частоту по изобретению по сравнению с базовым объектом, в качестве которого можно взять прототип, обладает следующими преимуществами: большей относительной чувствительностью (0,61% /В вместо 0,0093%/В); меньшими габаритами (1х1 мм² вместо 10х2,5 мм²); меньшей рабочей частотой (2,3 кГц вместо 214 МГц), отсутствием высокочастотного усилителя, что позволяет упростить электронную схему преобразования и регистрации частотного выходного сигнала прибора.

Формула изобретения

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ, выполненный в виде многослойной структуры, состоящей из полупроводниковой подложки, диэлектрического слоя, затворного и земляного металлических электродов, отличающийся тем, что, с целью увеличения относительной чувствительности, на полупроводниковой подложке расположен высокоомный полупроводниковый слой с противоположным типом проводимости толщиной не более диффузионной длины его неосновных носителей заряда, в котором сформированы две низкоомные области с тем же типом проводимости, находящиеся на расстоянии не более пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда слоя, затворный металлический электрод размещен на диэлектрическом слое, расположенном на высокоомном полупроводниковом слое между контактными электродами, находящимися на низкоомных областях, при этом высокоомный полупроводниковый слой содержит мелкую и глубокую примеси противоположного знака, а отношение концентраций неосновных и основных носителей заряда более отношения времен жизни коротко- и долгоживущих носителей заряда.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводника использован кремний.

3. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве глубокой примеси использован цинк.

4. Преобразователь по пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве мелкой примеси использован фосфор или мышьяк.

5. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического слоя использован диоксид или нитрид кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1