книги из ГПНТБ / Кривоносов, А. И. Полупроводниковые датчики температуры
.pdfЭлектрические контакты изготовлялись как методом их
впрессовывания в термочувствительный |
элемент, так п |
с помощью токопроводящего клея. |
терморезисторов |
Одним из основных преимуществ |
на предложенной основе является простота получения серии датчиков температуры с заранее заданными зна чениями начальных сопротивлений посредством регули рования стехиометрического состава ионного комплекса. Значительной температурной чувствительностью в диа пазоне температур от 300 до 4,2 °К обладают органиче ские терморезнсторы, выполненные на основе полициан амида, который был получен полимеризацией ме ламина. Полимеризация проводилась в присутствии хлористого цинка при температуре 873°К. С учетом механизма полимеризации нитрилов (влияние протона) в реакционную смесь вводилась протоносодержащая до бавка— кристаллическая Н3РО4 в количестве 3% масс от
хлористого цинка. Полимеры представляли собой темнокоричневые порошки, неплавкие, частично растворимые лишь в концентрированной серной кислоте. Преимуще ством терморезисторов, выполненных на основе органи ческих материалов, является также предполагаемая ма лая стоимость их изготовления.
Представляют интерес и органические терморезисто ры косвенного подогрева, что позволяет снижать номинальное сопротивление высокоомных терморезисто ров, являющихся, как правило, более термочувствитель ными.
Для расширения областей применения терморезисто ров прогрессивным является использование в качестве термочувствительного элемента гибких датчиков, выпол ненных, например, на основе токопроводящей резины,
атакже кремнийорганических материалов.
Впоследнее время появились сообщения об исполь
зовании в качестве термочувствительных элементов монокристаллических структур [Л. ГО, 74, 133], которые мо гут быть изготовлены по методам дендритной кристал лизации, газотранспортных реакций или по методу Сте панова.
Согласно методу Степанова, кристаллы выращивают ся вытягиванием через фильеры. При этом легко не только наладить серийный выпуск монокрнсталлических терморезисторов с нужными свойствами и конфигура цией, но :и обеспечить их невысокую стоимость.
Монокристаллические германиевые дендритные тер морезисторы [Л. 133] изготовляются из германиевой ден дритной ленты, получаемой из переохлажденного рас плава германия. Дендритные ленты в основном имеют толщину 0,2 и 0,3 мм и режутся на полоски чаще всего шириной 1 (и менее) и длиной 5 и 10 мм.
Следует отметить технологию изготовления монокри сталлов по методу газотранспортных реакций [Л. 51, 52, 132]. Согласно этой технологии нитевидные игольча тые монокристаллы германия и кремния выращивались в закрытой кварцевой ампуле, имевшей перетяжку, ко торая делила ампулу на две неодинаковые части: боль шая часть ампулы составляла зону растворения, мень шая— зону кристаллизации. Длина ампулы не превы шала 170, а диаметр 22 мм. В более вместительную часть ампулы помещалась навеска исходного кремния пли германия, туда вводилась навеска компонента-рас творителя, в качестве которого применялся чистый бром в твердом состоянии либо бром с добавкой йода. Загруженная ампула опускалась в жидкий азот, присое динялась к вакуумной установке и после откачивания до давления ІО-5 мм рт. ст. под вакуумом запаивалась. Затем запаянная ампула помещалась в печь с таким расчетом, чтобы конец ампулы с исходными навесками оказался при температуре 1 423—1 473°К, а зона кри сталлизации— при 1 173— 1 273°К.
Давление паров растворителя во всех опытах пе превышало 5 ат. В горячей зоне ампулы протекают эндотермические реакции с положительными значения ми энтальпии, а в холодной ее зоне — экзотермические реакции.
При вскрытии охлажденной ампулы в холодном кон це были обнаружены кристаллы двух разновидностей, полученные из исходных веществ. Часть ампулы за пе ретяжкой оказывалась целиком заполненной выросшими нитями и иглами. Максимальная длина этих нитей и игл, как правило, составляла более 30 мм, а толщина — от долей до сотен микрон.
Описанная технология выращивания монокристаллов германия и кремния позволяла получать кристаллы нужного типа проводимости и удельного сопротивления, что достигалось легированием монокристаллов в про
цессе роста. |
Для этого исходный кремний загружался |
в установку |
с необходимой примесью, количество кото |
12
рой менялось от долей до десятков миллиграммов, в зависимости от того, с каким удельным сопротивлени ем нужно получить монокристаллы.
Выращивание монокристаллов из антимоннда алю миния производилось аналогично.
Преимущества монокристаллов, полученных кристал лизацией из газовой фазы с помощью компонента-рас творителя, сводятся к следующему: они могут быть бо лее высокой чистоты, -чем исходный материал, иметь различную длину и диаметр; получаются в виде пра вильных шестигранников, которые обладают зеркальной поверхностью, не нуждающейся в дополнительной меха нической обработке.
Для монокристаллических терморезисторов очень важно создать надежные контакты. Один из способов присоединения контактных выводов — вплавление воль фрамо-никелевых контактов в карбид кремния при ва кууме около 5 - ІО-4 мм рт. ст. Образующаяся в резуль тате вплавления поверхностно-проводящая пленка стравливается в перекиси натрия. Предусматривается защита контактов от окружающей атмосферы при высо ких температурах серебрением, а также подсоединение выводных платиновых проводников к контактам с помо щью серебра или медно-серебряного припоя.
Другим перспективным способом является изготовле ние омических контактов на кремнии — термодиффузи онной сваркой в вакууме.
Необходимо отметить, что качество изготовления омических контактов во многом определяет работоспо собность терморезисторов. Поскольку омический контакт является композицией по крайней мере двух различных материалов, то основное внимание при его создании приходится уделять вопросу согласования температур ных коэффициентов линейного расширения рабочего тела и электродного сплава, т. е. получению контакта, свободного от механических напряжений, которые сни жают надежность, ухудшают электрические характери стики и уменьшают предельные допустимые дефор
мации. . |
контактов к |
монокристаллам |
антимонида |
Создание |
|||
алюминия |
проводилось |
методом импульсной сварки |
|
в атмосфере аргона. |
|
температура |
|
При надежных контактах допустимая |
|||
Тдоп будет определяться материалом, допустимая темпе
13
ратура которого чрезвычайно велика. Для дендритных терморезисторов с паяіньми контактами ТЯОа составляет
473 °К, |
а для терморезисторов, полученных |
методом |
|
газотранспортных |
реакций, со сварными контактами — |
||
до 573 °К и более |
(до 873 °К). |
|
|
Перечисляя кратко все достоинства монокрнсталли- |
|||
ческих |
терморезисторов, следует отметить прежде все |
||
го, что |
их температурная чувствительность не |
уступает |
|
температурной чувствительности поликристаллических терморезисторов и составляет от 0,6 до 3% (и выше) на градус; они вполне взаимозаменяемы, в особенности по коэффициенту температурной чувствительности, что по зволяет получать технологическим путем идентичные по этому параметру партии терморезисторов в 50 шт. и более, обладают лучшей воспроизводимостью и стабиль ностью, чем датчики температуры других типов; мало инерционны благодаря тому, что нити монокристаллов могут достигать в диаметре доли микрона; допустимая температура составляет от 573 до 1273°К; обеспечи вают большой диапазон получения требуемых значений номинального сопротивления (от десятков ом до десят ков килоом), при этом величина номинального сопротив ления, измеренного при комнатной температуре среды, для германиевых моиокрнсталлическнх терморезисторов равна 40—500 ом, для германиевых терморезисторов, изготовленных по методу Степанова, от десятков ом до единиц килоом; для терморезисторов, полученных мето дом газотранспортных реакций, — от 500 ом до 10 ком. При этом концентрация примесей составляет соответст венно для германия от ІО17 до ІО15, а для кремния — от 3-1018 до 5 -ІО15 атомов на 1 см3, причем монокристаллпческие терморезнсторы имеют линейную температурную характеристику в широком диапазоне температур; допу скают получение при необходимости положительного, равного нулю, или отрицательного температурного коэф фициента сопротивления.
Несомненный интерес представляют полупроводнико вые пленочные термочувствительные элементы [Л. 102], одним из возможных вариантов которых является кон струкция в виде монокристаллического основания с на несенным по интегральной технологии термочувстви тельным элементам. Такая конструкция может быть ис пользована и для измерения других неэлектрических величин [Л. 107, 119].
14
Экспериментально исследовались германиевые монокристаллические дендритные терморезисторы, темпера турную характеристику которых можно разделить на три участка: первый участок отвечает выражению Л=
=-Ri + Li(T—Ті), где |
Li>0 — коэффициент температур |
ной чувствительности, |
находимый из дроби Аі= (7?г— |
—Ri)!{Tz—Ті) (здесь Ri и R2 — экспериментально полу
ченные значения сопротивлений полупроводника при Гі='293°К и Гг=373°К); второй участок определяется значением сопротивления R =R C, где R0— некоторая по стоянная величина L2 —O, третий участок также имеет
линейный характер Л= Р4—L3(T—Гд), где L3< 0 — коэф фициент температурной чувствительности, определяемый по формуле L3='(R3—RiT)l(T3—Гд); .здесь R3 и Ri —
экспериментально полученные значения сопротивлений терморезистора при ■7’3=453°К и 74=413 °К.
Таким образом, при различных температурах на уча стках 1, 3 и 2 можно получить (см. таблицу на стр. 7) соответственно положительную, отрицательную чувст вительность и нечувствительность к температуре монокристаллических дендритных терморезисторов.
На сегодняшний день имеется ряд работ, посвящен ных исследованию температурных свойств полупровод никовых приборов, в том числе с р-я-переходами. Тем пературные свойства полупроводниковых приборов с р-
я-нереходамп |
рассмотрены |
в [Л. |
2—5, 7, 9, 11, 27, 28, |
|||
32—34, 45, 46, 48, |
54—56, |
105, |
106, ПО, 113, 115, 116, |
|||
125— 127, |
135, |
136, |
139— 141, |
150, |
158, |
164—166]. |
Кроме того, в некоторых работах показана возмож ность использования полупроводниковых приборов с р-н- переходами в качестве термочувствительных элементов и при этом указывается на ряд преимуществ термочув ствительных устройств, построенных на основе полупро водниковых приборов с р-я-переходами.
На возможность использования полупроводниковых приборов с электронно-дырочными переходами в каче стве термодатчиков впервые указано отечественными авторами Н. П. Удаловым, И. Л. Ротбертом, И. Б. Фогельсоном, В. А. Гороховым, Р. Э. Смолянским и зару
бежными— Л. Е. Бартоном, А. |
Г. Макнамарой В. Г. Коэ-- |
пом, В. Б. Сноу и др. [Л. 35, |
129, 142—146, 151—157, |
167, 168]. Однако количество работ, посвященных исполь зованию полупроводниковых приборов с р-я-переходами в качестве термочувствительных элементов, весьма огра-
ничеио. Это объясняется отчасти тем, что датчики тем пературы с jo-rt-пёреходами стали применяться сравни тельно недавно. Применяемый круг схем с датчиками температуры с р-ц-переходами также недостаточно ши рок. В настоящее время не рассмотрены динамические характеристики и импульсные режимы работы полупро водниковых приборов.
Работа датчика температуры на /ъ/г-переходе, на ко торый подано прямое смещение, основана на зависимо сти падения напряжения на нем от температуры окру жающей среды [Л. 13, 60, 66, 76—80, 91, 103, 111]. Расчет семейства вольт-амперных характеристик смещенного в прямом направлении р-/г-перехода рассмотрен в рабо тах [Л. 60, 62, 63, 75]. Такие термодатчики могут быть использованы в диапазоне температур от 4,2 до 453°К.
Применение в качестве термочувствительного эле мента /7-/г-перехода, смещенного в обратном направле нии, рассмотрено в работах [Л. 15—18, 20, 21, 24, 41, 60, 84, 91, ЮЗ]. Расчет статических характеристик обратно-
смещенного перехода приводится в работах [Л. 60, |
|
61, |
75]. |
|
Чувствительность датчика температуры, выполненно |
го на основе транзисторов [Л. 23, 60, 69—72, 74, 81, 82, 101], превосходит чувствительность диодных термодатчпков. Расчет статических характеристик таких датчи ков приведен в работах [Л. 60, 64].
Исследования четырехслойных структур показали ярко выраженную зависимость их параметров от темпе ратуры среды [Л. 60, 68, 95, 147]. Температурная чувст вительность по напряжению переключения датчиков температуры па основе тиристора типа Д235 составляет 20 в и более на 1°. Расчет статических характеристик тиристоров в качестве термочувствительных элементов показан в работах [Л. 60, 65].
Весьма перспективны термодатчики специальной кон струкции с р-я-переходами, сочетающие в себе малую тепловую постоянную времени и большую температур ную чувствительность, в частности бескорпусные полу проводниковые приборы.
С точки зрения расширения схемотехнических реше ний перспективно также использование в качестве тер мочувствительных элементов тиристоров с запиранием по управляющему электроду и симметричных тиристо ров [Л. 8,95].
Кроме того, в ряде случаев необходимо иметь нечув ствительные к радиоактивным излучениям датчики тем пературы. Подобными свойствами обладают датчики температуры, построенные на использовании туннельных диодов [Л. 103]. Теоретически туннельный диод может работать в диапазоне от 4,2 °К до точки плавления спла вов, однако практически устойчивость конструкции кор пуса и схемные ограничения допустимого изменения па раметров значительно сужают.этот диапазон и боль шинство серийных туннельных диодов работает устой чиво лишь при температуре от 213 до 423°К.
Особенностью схем на туннельных диодах является простая схемная возможность импульсного преобразо вания температуры, а также возможность получения зависимости амплитуды, частоты и ширины прямоуголь ного импульса от температуры. Эти особенности позво ляют применять туннельные диоды в схемах дистанци онного измерения температуры.
В качестве термочувствительных элементов могут быть использованы также кремниевые стабилитроны. Как показали эксперименты, изменение напряжения ста билизации с изменением температуры практически ли нейно в широком диапазоне, в связи с чем методика, предложенная для расчета семейства прямых ветвей вольт-амперных характеристик р-я-перехода, может быть применена и для стабилитронов.
Не возникает особых трудностей и при использова нии ннжекционных диодов в качестве термочувствитель ных элементов, поскольку характер их температурных изменений не отличается от таких изменений у обычных диодов [Л. 31, 36, 37].
Наконец, в ряде случаев представляет интерес использование в качестве термочувствительных элемен тов фотодиодов, фототранзисторов и фототиристоров
[Л. 19, 22, 36—39, 49, 87, 96]. Расчет статических харак теристик подобных приборов приведен в [Л. 31, 98].
При использовании в качестве термочувствительного элемента варикапа расчет его статических характери стик может быть произведен по методике, предложен ной в [Л. 60, 92].
2—25 |
>1 iS Л! ІОТі |
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ЦЕПИ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРИБОРАМИ
1-1. ЗАДАЧИ СИНТЕЗА
При создании датчиков температуры с полупроводни ковыми приборами в качестве термочувствительных элементов возникают трудности с точки зрения их взаи мозаменяемости. Это обусловлено тем, что существуюющие полупроводниковые приборы имеют значительный разброс параметров (даже экземпляры одной партии). Кроме того, применение в одной и той же схеме при боров различных типов (например, с целью улучшения некоторых характеристик этих схем) также требует при менения различных способов для достижения близких выходных характеристик.
Для устранения этих трудностей в настоящее время наиболее широко применяют два способа получения датчиков с идентичными характеристиками [Л. 114, 146, 162]: сортировка полупроводниковых приборов на груп пы с идентичными параметрами; регулировка и настрой ка электрической схемы датчиков температуры с помо щью изменения линейных элементов схемы.
Сортировка полупроводниковых приборов представ ляет собой трудоемкий процесс, при котором необходи мо иметь комплекс измерительной аппаратуры, так как полупроводниковые приборы (например, транзисторы и тиристоры) имеют ряд характерных параметров, каж дый из которых следует определять. Недостатком этого способа является еще и то, что работоспособные, но не попадающие в данную группу с идентичными парамет рами приборы, не могут быть использованы в построе нии заданных схем.
Недостатком регулировки и настройки является не обходимость в переменных линейных элементах, что зна чительно снижает надежность схем, а также влияет на
18
простоту конструктивного решения, так как требуется легкость и доступность регулировки. Это особенно важ но при создании датчиков, работающих в трудных усло виях, например при пониженном давлении, повышенной влажности и т. д.
Указанныё недостатки можно устранить, если синте зировать цепи с полупроводниковыми приборами в каче стве термочувствительных элементов с заданными ха рактеристиками. В общем случае задачей синтеза цепей с полупроводниковыми приборами является аналитиче ский расчет элементов схемы в соответствии с требова ниями к данной цепи, а также на основании характери стик применяемого полупроводникового прибора, т. е. аналитический синтез цепи с полупроводниковыми при
борами позволяет устранить затраты при |
сортировке, |
а также настройке и регулировке. |
температуры |
Кроме того, при создании датчиков |
с заданными нелинейными зависимостями, обеспечение взаимозаменяемости этих датчиков с помощью указан ных методов становится уже практически невозможным.
В общем случае синтез позволяет решить эту зада чу. В дальнейшем для простоты математических выкла док рассмотрим синтез цепей с полупроводниковыми приборами, имеющими заданную линейную зависимость соответствующего параметра от температуры, что наи более широко распространено в практике применения датчиков температуры.
Рассмотрим основные задачи синтеза для цепей с по лупроводниковыми приборами в качестве термочувстви тельных элементов, имеющих зависимость сопротивле ния только от температуры не зависимо от величины тока в цепи. Это означает, что используется линейный участок вольт-амперной характеристики полупроводни кового прибора. В противном случае необходимо рас сматривать синтез цепи с выходным параметром в виде зависимости тока от температуры.
Таким образом, на основании вышеуказанных допу щений можно определить следующие основные задачи синтеза.
З а д а ч а 1. Линеаризация цепи с известной выход ной температурной характеристикой в данном диапазоне
температур.
Пусть задана выходная характеристика цепи в дан ном диапазоне изменения температуры, являющейся
2* |
19 |
в данном случае заданной величиной, т. е.
Yt= F(T); I
( 1- 1)
В общем случае эта функция нелинейна, но из физи ки теплоэлектрических свойств полупроводниковых при боров следует, что она монотонна и не имеет точек раз рыва. Для простоты исследований эту функцию можно разложить в ряд Тейлора в некоторой точке температур ного диапазона:
Ті< Т яп< Т2. |
(1-2) |
В общем случае этот ряд имеет следующий вид:
F(T) = |
F (Тлп) 4- F' (Тап) 4 - + Р ' |
('/;„) |
|
со |
|
•■. + |
^ > ( 7 ™ ) - ^ + Л |
(1-3) |
|
і=п +! |
|
где 0= 7’—Гап-
Количество членов ряда ограничено выражением |
|
00 |
|
J ] Я « (7 аі1)4 |-< Д , |
(1-4) |
я+І |
|
где Д — заданная точность расчета.
Отсюда количество членов ряда окончательно мож
но получить из равенства |
|
|
|
F (Га) - F (Г,) - |
F' (Г,) ~ |
^ -+ ■• • |
|
... + Я")( |
Г,) (Т-^ |
Ті)П = Д - |
(1-5) |
Это выражение получено в связи с тем, что найти значение функции на одном конце температурного диа пазона, зная значение на другом, можно с точностью не ниже А, если количество членов ряда разложения будет соответствовать выражению (1-5).
На практике функцию F(T) можно записать иначе:
П |
|
F(T) = F (Гап) + £ Л « (Таа) J . |
(1-6) |
і- \
20