Полупроводниковый датчик температуры

 

Использование: в электронной технике, а именно в полупроводниковых датчиках температуры. Сущность изобретения: датчик содержит область однородного сопротивления и области низкого сопротивления с противоположным типом проводимости. Толщина области однородного сопротивления датчика выбрана из соотношения W=(0,7...2)·L, где L - диффузионная длина носителей заряда в области однородного сопротивления. 1 э.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым датчикам температуры.

Известен полупроводниковый датчик температуры [1] содержащий область однородного сопротивления и области низкого сопротивления. Область однородного сопротивления формируется на основе эпитаксиального слоя с удельным сопротивлением 0,5.5 Ом·см и толщиной 1.20 мкм. В данной конструкции сопротивление изменяется с температурой, что обеспечивает высокую чувствительность датчика.

Недостатком данного технического решения является нелинейность температурной характеристики.

Наиболее близкой к настоящему техническому решению является конструкция полупроводникового датчика температуры [2] содержащего также область однородного сопротивления и области низкого сопротивления, в которой с целью повышения линейности концентрация примеси в области однородного сопротивления не более 10¹³см^-3 и области низкого сопротивления имеют противоположный тип проводимости и концентрацию примеси не менее 10¹⁹см^-3.

Однако длина области однородного сопротивления значительно больше диффузионной длины носителей заряда. Как показали теоретический и экспериментальный анализы, при длине области однородного сопротивления больше диффузионной длины носителей заряда вольт-амперная характеристика датчика нелинейна и чувствительность dU/dT невелика (dU/dT < 1,5 мВ/град при T 300 К) и быстро ( (1/Tα, α > 1) ) уменьшается с ростом температуры.

Целью изобретения является повышение линейности вольт-температурной характеристики датчика в рабочем диапазоне температур.

Поставленная цель достигается тем, что полупроводниковый датчик температуры содержит область однородного сопротивления, области низкого сопротивления с противоположным типом проводимости, толщина области однородного сопротивления выбрана из соотношения W=(0,7.2)·L, (1) где L диффузионная длина носителей заряда в области однородного сопротивления.

Сущность изобретения заключается в том, что изменения падения напряжения с температурой в слое однородного сопротивления и на переходных областях от слоя однородного сопротивления к слоям с низким сопротивлением имеют противоположный знак и толщина области однородного сопротивления, выбранная из соотношения (1), дает возможность компенсировать нелинейность вольт-температурной характеристики в каждой точке температурного диапазона.

Приведем теоретическое обоснование сущности изобретения.

Запишем полное падение напряжения на переходе как сумму напряжения на области однородного сопротивления U_i и на переходных областях U_ni и U_pi: U=U_ni+U_pi. (2) Падение напряжения на переходных областях связано с рекомбинационной I_p и диффузионной составляющей I_g тока: (I_p)_n,p= qWn_i/τ_p(exp(qU/2KT)-1) (3) где q заряд электрона, k постоянная Больцмана, N_a и N_d концентрация донорной и акцепторной примеси в слое однородной проводимости,
n_i концентрация свободных носителей в собственном полупроводнике, n_i(T)= T·exp(-E_g/2kT), E_g ширина запрещенной зоны.

Температурная зависимость U(T) при постоянном токе определяется температурной зависимостью коэффициентов диффузии и времен жизни электронов и дырок: . Значения показателей γ_p,n и β_p,n зависят от материала. В кремнии γ_n~ 1,42; γ_p~ 1,20; β_n,p~ 0,5.
Подставляя эти зависимости в (3) и (4) и дифференцируя правую и левую часть этих выражений, с учетом зависимости от температуры ширины запрещенной зоны E_g(T) можно показать, что температурный коэффициент напряжения на переходных областях dU_pi,ni/dT при постоянном токе I=I_p+I_g=const отрицателен, а его абсолютная величина монотонно возрастает при повышении температуры и составляет при T 300 К около 2.3 мВ/град. Таким образом, если падение напряжения на переходных областях значительно больше падения напряжения на слое однородного сопротивления, то зависимость U(T) нелинейна. Падение напряжения на слое однородного сопротивления U_i зависит от скорости процессов диффузии и рекомбинации носителей заряда в этом слое. Теоретический анализ показывает, что U_i тем больше, чем меньше эта скорость, то есть чем меньше коэффициент амбиполярной диффузии D=2D_n·D_p/(D_n+D_p) и среднее время жизни носителей заряда в слое однородной проводимости τ = τ_n·τ_p/(τ_n+τ_p). Иначе говоря U_i возрастает с уменьшением диффузионной длины .

Как показывает анализ, падение напряжения U_i пропорционально отношению толщины слоя однородной проводимости W к диффузионной длине L U_i≈W/L и, поскольку D_n,p и t_n,p, следовательно, и L падают с ростом температуры, U_i с температурой возрастает. Например, в кремнии приближенно L≈T и U_i≈T. Поскольку, как отмечалось выше, падение напряжения на переходных областях падает с ростом температуры, изменение с температурой результирующего напряжения на датчике температуры зависит от соотношения между диффузионной длиной L и толщиной области однородной проводимости. Подбирая это соотношение, можно в значительной степени компенсировать нелинейность зависимости U_pi,ni(T). Расчет показал, что наилучшая линейность зависимости U(T) достигается, когда толщина области однородного сопротивления близка к диффузионной длине носителей заряда в области однородного сопротивления, точнее, когда выполняется соотношение (1).

Соотношение для датчика на кремниевом диоде можно уточнить. Учитывая, что для низколегированного кремния D_n 35 см/В·сек, D_p 10 см/В·сек, находим D 17,5 см/В·сек и (4) запишется в виде

Изобретение поясняется чертежом, где дана зависимость вольт-температурной чувствительности от температуры, где кривая 1 характеристика датчика с W= 5L; 2 характеристика датчика с W=1,6L; 3 характеристика датчика с W= 2,5L.

Пример. Рассмотрим полупроводниковый датчик температуры, выполненный из кремния, который состоит из области однородного сопротивления P-типа толщиной 100 мкм с концентрацией примеси 10¹³см^-3 и областей низкого сопротивления с противоположным типом проводимости P⁺ и N⁺ с концентрацией примеси 10¹⁹см^-3. Время жизни носителей 10 сек. Вольт-температурные характеристики снимались в диапазоне температур 77-400 К. Датчик помещался в термостат с контролем температуры образцовым термометром точностью 0,01 К. Измерялось падение напряжения на датчике при стабилизированном питании источником постоянного тока. Полученная зависимость приведена на чертеже.

Предлагаемая конструкция датчика температуры обеспечит по сравнению с конструкцией прототипа повышение линейности вольт-температурной характеристики в рабочем диапазоне температур. Это позволит значительно упростить электронные схемы обработки сигналов датчика.

Источники информации.

1. Патент Франции N 7402575, 25.01.1974.

2. Ильчинский Е.С. Изготовление полупроводниковых датчиков температуры диапазона 4-400 К. Электронная промышленность, 1989, N 9, стр.15-17.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый датчик температуры, содержащий область однородного сопротивления, области низкого сопротивления с противоположным типом проводимости, отличающийся тем, что толщина области однородного сопротивления выбрана из соотношения
W (0,7 2)·L,
где L диффузионная длина носителей заряда в области однородного сопротивления.

2. Датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что область однородного сопротивления и области низкого сопротивления с противоположным типом проводимости выполнены из кремния, причем толщина области однородной проводимости связана со средним временем жизни носителей заряда соотношением