Полупровлдниковый преобразователь давления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Респуб пик (61) Дополнительное к ввт. свид-ву (22) Заявлено 180978 (21) 2664916/18-25 (51)М. Кп. с присоединением заявки № (23) Приоритет

Н 01 1 29/84

Н 01 Ь. 29/48

Государствеииый комитет

СССР оо делам изобретеиий и открыти Й (публикорано 07.1080, Бюллетень ¹ 37

Дата опубликовамия описания 07.1080 (53) УДК 621, З82

{088. 8) (72) Авторы изобретения

М.И.Елинсон, Б.А,Малахов, В,И,Покалякин и Г,В,Степанов

Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР (71 ) Заявитель

{54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЬЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области преобразования механического сигнала в электрический, а точнее к приборам, реагирующим на приложенное механическое давление изменением эле 5 ктрических парметров — полупроводниковым преобразователем давления.

Известны полупроводниковые тензодатчики, выполненные на основе р-и-перехода. P) . l0

В таких элементах приложение механического давления приводит к изменению инжектирующий способности р-п-перехода, т.е. изменению протекающего тока, Эти элементы отличают- 5 ся малой чувствительностью, сильной зависимостью параметров от температуры.)

Тензочувствительность удается увеличить использованием февзочувствительных элементов на основе Шотткиконтактов

В таком элементе обраэуется запор ный контакт на границе металл-полупроводник.

Так же, как и в р-п-переходе, 35 при приложении давления происходит кзменение ширины запрещенной роны, r.àê следствие, изменение барьера конгакта и генерационных токов. При этом меняется инжектирующая способность Я контакта, а, следовательно, меняется ток, протекающий через систему. Большая чувствительность по сравнению с р-п-переходом обусловлена. близостью запорного слоя к поверхности, а точнее, непосредственным расположением у поверхности, на которую производят давление.

BMecTe c тем Шоттки-диоду присущи многие недостатки, свойственные р-ппереходу и, в первую очередь, сильная температурная зависимость параметров.

Кроме того, в областй прямых смещающих напряжений, где наблюдается наибольшая тензочувствительность,прибор обладает малым сопротивлением, что уменьшает получаемый сигнал по напряжению. Из-за сильной нелинейности вольт-амперной характеристики здесь могут применяться только стабильные источники питан ля. В области обратных смещений прибор обладает большим сопротивлением, насыщающейся ВАХ, что уменьшает требования на стабилизацию источников питания, но в то же время, коэффициент тензочувствительности здесь мал из-за малых протекающих токов. Увеличение тензочувствительности в этом направлении возмож,но введением рекомбинационных центров

713444 в область обеднения контакта, что связано с усложнением технологии, Наиболее близким к предлагаемому является полупроводниковый преобразователь давления на основе многослойной структуры, состояцей из слоя невырожденного полупроводника, туннель но-прозрачного диэлектркЧеского слоя и электрода ГЗ, В известном полупроводниковом преобразователе давления диэлектрический слой выполнен из двуокиси кремния, а электрод из двуокиси олова.

Использование в качестве электрода только двуокиси олова усложняет конструкцию прибора, так как требует применения сложных технологических 3$ методов нанесения пленок, Цель изобретения — упроцение конструкции.

Это достигается тем, что электрод выполнен из материала, работа выхо- ;@ да которого отлична от работы выхода полупроводника и разность их работ выхода приводит к созданию у поверхности полупроводника слоя, обогащенного основными носителями.

На чертеже изображен преобразователь давления, содержаций полупроводниковую подложку 1 и- или р-типа, на которой расположен туннельнопрозрачный диэлектрический слой 2 и электрод 3, выполненный иэ металла илк вырожденного полупроводника.

В случае полупроводника и-типа работа выхода материала электрода меньше работы выхода полупроводника, в случае полупроводника р-типа работа выхода материала электрода должна быть больше работы выхода полупроводника.

Работа преобразователя заключается в следуюцем. 40

При отсутствии напряжения поверхность полупроводника обогащена основ= ными носителями, что определяется разностью работ выхода между полупроводником и электродом, Приложение обратносмецающего напряжения (минус на металл, в случае полупроводника п-тица) приводит к тому, что основные носители выталкиваются в объем полупроводника, а неосновные носите- О ли подтягиваются полем к поверхности полупроводника, так как толщина диэлектрика мала, неосновные носители покидают поверхность полупроводника, тунне пируя через диэлектрик. В выбранном Диапазоне толщин диэлектрик способен пропустить весь ток, обусловленный те4>могенерацией у поверхности.

Следствие этого — появление неравновесно обедненного слоя у поверхности, т.е. ситуация подобная шоттки" О контакту.

В то же время иэ-за падения напря жения на слое диэлектрика при переходе от обогащения к обеднению уровень

Ферми-металла смещается по направлению к зоне проводимости. При достиженик уровнем Ферми-края зоны проводимости, через слой диэлектрика начинают протекать значительные туннельные токи с уровня Ферми-материала электрода на разрешенные состояния в зоне проводимости полупроводника.

Модельно можно представить, что сопротивлен> е диэлектрика значительно уменьшается к становится меньше сопротивления обедненной области, Поэтому, дальнейшее увеличение напряжения падает на полупроводнике, и, таким образом, уровень Ферми-металла не смещается заметно, т.е. менее кТ, относительно края зоны проводимости, что обеспечивает насыщающкйся характер ВЛ. (. В таком состоянии ток, протекающий через прибор, определяется расстоянием ме><ду краем зоны проводимости полупроводника и уровнем Ферми-материала электрода, плотностью состояний в зоне проводимости и прозрачностью барьера, т.е. толщиной слоя диэлектрика.

Прозрачность барьера, плотно= òü состояний в зоне мало зависят от температуры„ Величина близка к нулю, что также делает ток нечувствительным к кэменсниям температуры.

В то же время из-за того, что ток в приборе обусловлен туннелированием электронов непосредственно с уровня

Ферми-металла, его величина может быть достаточно большой, что определяется толщиной дкэлектрика.

Тепловая генерация в обедненной области создает ток неосновных носителей к поверхности полупроводника.

Из условия непрерывности тока этот ток должен проходить и через слой диэлектрика, Так как диэлектрик обладает конечной, не равной единице вероятностью туннелирования, то для обеспечения непрерывности тока на границе диэлектрик — полупроводник должен накопиться какой-то заряд неосновных носителей Р . При приложении механического давления к прибору происходит уменьшение ширины запрещенной зоны полупроводника, увеличивается генерационный поток неосновных носителей к поверхности полупроводника. Следствие этого — увеличение накопленного заряда на границе полупроводник - диэлектрик Р + йРй, что приводит к изменению поля Е+6Е в слое диэлектрика. Последнее приводит к смещению уровня Ферми-материала электрода отйосительно края зоны проводимости ) + и (т.е. к измененкю протекающего тока. Соотношение между работами выхода материала элек трода и полупроводника и типом полупроводника является принципиальным, При меньшей работе выхода материалаэлектрода по сравнению с полупроводником п-типа, на поверхности полупроводника при отсутствии смещения

713444

Составитель A. Прохорова

Редактор Т. 1(олодцева Техред A. Ач

Корректор О. Билак

Заказ 8678/73 Тирам 84 4

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подпис ное

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 увеличена концентрация основных носителей, при этом расстояние между уровнем Ферми-металла и краем зоны проводимости невелика, По мере увеличения смешения это расстояние дополнительно уменьшается до величин, близких к нулю, что является необходимым условием большой чувствительности и давлению. Если для того же типа полупроводника работа выхода металла будет больше, то в исходной ситуации на поверхности полупроводниI жа будет обеднение или инверсия, при этом расстояние между уровнем Фермиметалла и краем зоны проводимости велико. В такой ситуации при приложении смещения условия, соответствующие неравновесию, выполняются раньше, чем уровень Ферми-металла успевает сместиться к краю соответствуюшей эоны. При этом величина остается большой, и чувствительность к давлению падает до величин, свойственных Шоттки-диоду.

Предлагаемый преобразователь давления наряду с увеличением чувствительности к давлению и уменьшением температурной чувствительности по сравнению с преобразователями давления на р-и-перехода:: и Шоттки-диодах,,расширяет выбор возможных материалов ,по сравнению с известной конструкцией, в которой электрод выполнен из SnO „ что позволяет упростить конструкцию, и, следовательно, технологию изготовления прибора, что, с свою очередь, приводит к возможности более широкого применения. Например, становится возможным использование, широко распространенных в интегральной технологии металлов, как алюминий и золото, в паре с полупроводниками и- и р-типа соответственно.!

О

Формула изобретения

Полупроводниковый преобразователь давления на основе многослойной структуры, состоядйй из слоя невырожденного полупроводника, туннельно-прозрачного диэлектрического слоя и электрода, о т л и ч а ю ш и и с ятем, что, с целью упрошения конструкции электрод выполнен иэ материала; работа выхода которого отлична от работы выхода полупроводника, и разность их работ выхода приводит к созданию у поверхности полупроводника слоя, обогаценного основиыми носителями.

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Полупроводниковые тензодатчики. Под. ред. М.Дина, М., "Энергия", 1965, с. 3-40.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 252696, кл. G 01 Б 1/18, 1968.

3. Патент СИА М 4011577, кл. 357-26, опублик. 1977 (прототип),