4.2. Полупроводниковые терморезисторы
Терморезисторами называются приборы, у которых электрическое сопротивление изменяется при изменении температуры. На использовании этих приборов основан один из распространенных методов электрических измерений температуры. Изменение сопротивления в зависимости от температуры количественно выражается температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).
Терморезистивный эффект проявляется в металлах и используется в проволочных термометрах сопротивления, однако ТКС в случае металлов мал – 0.4–0.5 %/град. Кроме того, такие термометры сопротивления неудобны в изготовлении, поскольку содержат длинные проволочные намотки, необходимые для получения требуемых номиналов сопротивлений, и слабо поддаются миниатюризации.
В полупроводниках ТКС в 10–20 раз выше, чем в металлах. Применение полупроводниковых резисторов повышает точность измерений и позволяет использовать более простые вторичные приборы [2].
Наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы, которые изготавливаются из окислов переходных металлов. В процессе их изготовления тонкоизмельченные порошки окислов замешиваются на связующих жидких составах, а затем путем выдавливания формуются рабочие тела элементов. Далее следует сушка, отжиг, нанесение контактов, сборка и герметизация приборов. Самые миниатюрные терморезисторы бусинкового типа имеют размеры в десятые доли миллиметра. Они изготавливаются путем нанесения локальных перемычек из тестообразного состава на участках параллельно натянутых тонких платиновых проволок, их дальнейшего спекания, разделения на элементы, сборки и герметизации покрытием из стекла. Такая технология лежит в основе промышленного массового производства терморезисторов.
Терморезисторы находят широкое применение в современной технике. Однако терморезисторы из окислов переходных металлов полностью не удовлетворяют некоторым новым ее требованиям. В частности, слабой стороной таких приборов является временная стабильность, которая оказывается во многих случаях недостаточной, несмотря на проведение искусственного старения в процессе их изготовления. Природу этого явления связывают с неравновесностью состояния поликристаллических спеков из разнородных материалов и протеканием медленных процессов, направленных на достижение равновесия. Устранить этот недостаток можно при изготовлении терморезисторов на основе монокристаллических полупроводниковых материалов. Полупроводниковые монокристаллы имеют более совершенное строение, обладают существенно меньшим количеством дефектов, чем поликристаллические спеки, что обеспечивает более стабильное поведение приборов на их основе.
Материалом для изготовления монокристаллических терморезисторов чаще всего служат германий, кремний, их твердые растворы, карбид кремния и другие полупроводники. Высокотемпературные термисторы основаны на изменении собственной проводимости широкозонных полупроводников, низкотемпературные – на изменении примесной проводимости широкозонных и собственной – узкозонных. ТКС полупроводниковых терморезисторов может составлять от 0.1 до 6 % / град и более. Знак ТКС может быть как отрицательным, так и положительным. Путем подбора полупроводникового материала по значению ширины запрещенной зоны или примеси по значению энергии активации можно в принципе обеспечить оптимальную чувствительность терморезисторов в требуемом интервале температур. Из монокристаллического германия, например, изготавливаются терморезисторы с ТКС 4.3 – 4.6 % / град при 290 К и диапазоном рабочих температур 210 – 420 К, а из кремния с ТКС 0.8 – 1 % / град и рабочим диапазоном 220 – 470 К. Монокристаллические терморезисторы из элементарных полупроводников и интерметаллических соединений дополняют комплекс поликристаллических приборов из окислов переходных металлов и дают возможность успешно решать задачи термометрии в областях, где они не применяются. Примером такой области является низко- температурная термометрия.
Терморезисторы для низкотемпературных измерений были разработаны из германия, легированного сурьмой и золотом, кремния, легированного медью, антимонида галлия, арсенида галлия и др.
Изготовление терморезисторов из объемных поли- и монокристаллов имеет все те же общие для кристаллических приборов недостатки, заключающиеся в обилии точной механической обработки элементов, высокой себестоимости продукции. Терморезистор, как и любой измерительный прибор, должен быть безинерционным. Однако в процессе измерений температуры терморезистору приходится получать и отдавать тепловую энергию, что неизбежно занимает какое-то время, которое характеризуется постоянной времени прибора. Эта величина связана с другими параметрами терморезистора:
(4.1)
где – ТКС; С – теплоемкость терморезистора; H – коэффициент рассеяния, численно равный мощности, рассеиваемой на приборе при разности температур образца и окружающей среды 1К; G – коэффициент энергетической чувствительности, численно равный мощности, которую нужно рассеять на приборе для уменьшения его сопротивления на 1 %.
Для промышленных терморезисторов на основе окислов имеет значения, заключенные в интервале 0.4–100 с. У миниатюрных приборов бусинкового типа составляет 0.4–1 с. Примерно на уровне последних находятся миниатюрные монокристаллические терморезисторы размерами в миллиметры и десятые доли миллиметра. Однако для современной техники такое быстродействие недостаточно.
Уменьшение может быть достигнуто в результате уменьшения массы и, следовательно, теплоемкости приборов. Один из вариантов уменьшения массы возможен при использовании нитевидных полупроводниковых кристаллов. Кремниевые терморезисторы размером 0.015х0.015х1.5 мм, изготовленные из нитевидных кристаллов, обладали постоянной времени 5 мс. Однако терморезисторы из нитевидных кристаллов – объемные приборы, геометрия которых не соответствует условиям быстрейшего рассеяния тепловой энергии, что ограничивает их быстродействие. Кроме того, на основе нитевидных кристаллов вряд ли можно получить значительные партии идентичных приборов и организовать их массовое производство.
Дальнейшее повышение быстродействия терморезисторов связано с разработкой пленочных приборов. Американская фирма Victory Engineering Corp. разработала миниатюрные терморезисторы размером 0.5х0.5 мм, изготовление которых основано на толстопленочной технологии. По этой технологии на плоское стекло наносилась паста и затем спекалась. Приборы оформлялись в двух вариантах: на подложке и без нее. Постоянная времени без подложки составляла 40 мс, а на подложке, которая выполняла роль радиатора, эффективно отводящего и рассеивающего тепло, постоянная времени была равна 0.2 мс. Приборы предназначались для работы в диапазоне температур до 448 К, но были способны выдерживать нагрев до 520 К. О материале, из которого изготавливались рабочие элементы приборов, не сообщалось [2].
Разработаны и начали выпускаться ультраминиатюрные терморезисторы из окислов никеля и кобальта, габаритные размеры которых составляют 0.5х0.3х0.3 мм. Разброс величин сопротивлений этих приборов не превышал 2 % .
Естественно предполагать, что еще более высокое быстродействие может быть получено у тонкопленочных терморезисторов. Тонкопленочная технология терморезисторов совместима с общей интегральной технологией полупроводниковых приборов. Это открывает возможности группового производства идентичных миниатюрных терморезисторов как в виде дискретных приборов, так и в составе интегральных устройств.
Возможности интегральной технологии применительно к терморезисторам продемонстрированы, например, в работе, где описаны миниатюрные приборы, изготовленные по планарной технологии из диффузионных слоев германия. Путем локальной диффузии сурьмы в пластину германия p-типа через маску из окиси кремния были получены слои n-типа толщиной около 1 мкм, из которых были сформированы терморезисторы гантелеобразной формы. Эти приборы предназначались для термометрии в диапазоне 20–70 К, поэтому изоляция элементов с помощью p-n переходов в этом случае была допустимой. Показателем быстродействия было то, что изменение температуры от 60 до 20 К происходило менее чем за 20 мс. При магнитной индукции 0.3 Тл изменения показания температуры в жидком гелии составляли 0.5 К.
Тонкопленочные приборы имеют более выгодное соотношение между поверхностью и объемом для эффективного теплового обмена с окружающей средой, чем объемные кристаллические. Это особенно благоприятно для получения быстродействующих терморезисторов.
В этом плане особенно показательна работа, в которой описана разработка пленочного терморезистора сравнительно больших размеров, но способного заменить миниатюрный бусинковый прибор. Материалом датчика служили пленки германия с ТКС 2 % / град, которые напылялись в вакууме на стеклянные, майларовые и слюдяные подложки. Несмотря на сравнительно большие габариты датчика (25.4х12.7х0.0076 мм), его постоянная времени в спокойном воздухе была 0.33 с, при обдуве – 0.12 с, что меньше, чем бусинкового терморезистора размером 0.25 мм.
При использовании тонких проводящих слоев в монокристаллах полупроводников и изготовлении термочувствительных элементов с малыми размерами возможно изготовление еще более быстродействующих приборов. Примером может служить миниатюрный термометр сопротивления на температуры 1.3 – 300 К, чувствительная область которого имела диаметр 0.6 мм, толщину 0.1 – 0.3 мм, массу 10-4 г. Масса всего элемента 10-2 г, а объем 10-3 см-3. При 4.2 К чувствительность соответствовала 10 %-ному изменению сопротивления при изменении температуры на 1 %, допустимая мощность рассеяния составляла 2·10-6 Вт, инерционность – не более 0.01 с. Магнитная индукция 2 Тл вносила погрешность не более 0.004 К. При многократных резких охлаждениях воспроизводимость показаний не ниже 0.001 К.
Для низкотемпературной термометрии важное значение имеет максимальное расширение рабочего диапазона температур, регистрируемых полупроводниковыми приборами. На основе монокристаллического германия, подвергнутого многокомпонентному легированию с целью варьирования примесной энергии активации, была создана гамма полупроводниковых термометров, перекрывающих диапазон температур от комнатной до гелиевой и далее. Однако из-за сегрегационных явлений при выращивании исходных монокристаллов Ge примеси распределяются неравномерно, что препятствует миниатюризации терморезисторов и достижению воспроизводимости их характеристик.
Одним из путей дальнейшего совершенствования технологии германиевых терморезисторов может стать получение эпитаксиальных пленок германия в вакуумном процессе. В этом плане представляется многообещающей разработка гетероэпитаксиальной структуры Ge на полуизолирующем арсениде галлия. Терморезистивные элементы на основе структуры p-Ge-i-GaAs обладают высокими термометрическими свойствами. На основе гетероэпитаксиальных пленок удобно формирование миниатюрных терморезистивных элементов методами групповой технологии.
Для низкотемпературных терморезисторов важное значение придается сведению к минимуму влияния магнитного поля на их сопротивление. С этой целью в качестве материала для изготовления таких приборов используются, как правило, полупроводники р-типа, поскольку подвижность дырок сравнительно мала и изменение сопротивления в магнитном поле в результате этого минимальное. Одним из возможных подходов к дальнейшему уменьшению магниторезистивного эффекта в низкотемпературных датчиках температуры является использование для их изготовления сложных полупроводников, например, твердых растворов. Известно, что у низкотемпературных резистивных датчиков, изготовленных из монокристаллических слоев твердого раствора Ge–Si, эффект магнитосопротивления составляет 1·10-3– 4·10-1 % при изменении индукции в диапазоне значений 1–5 Тл, что меньше, чем в случае германиевых и арсенидгаллиевых терморезисторов на 1–2 порядка. Столь низкое магнитосопротивление в монокристаллических пленках полупроводника обусловлено наличием дополнительного механизма рассеяния на статистических неоднородностях в твердых растворах, что понижает подвижность носителей.
Еще один подход к понижению чувствительности терморезисторов к магнитному полю может быть основан на использовании поликристаллических, например, узкозонных, полупроводников InSb, InAs, у которых подвижность носителей заряда в результате рассеяния на межкристаллитных барьерах мала.
Миниатюризация термисторов дает также возможность получить температурочувствительные приборы с высоким пространственным разрешением. Для повышения пространственного разрешения необходима все бóльшая миниатюризация этих приборов. Однако при традиционном изготовлении пленочных терморезисторов в виде двухэлектродных полосообразных элементов имеется предел миниатюризации, поскольку при последовательном уменьшении чувствительной области в пределе неизбежно слияние контактных площадок, и прибор становится неработоспособным.
Существуют такие задачи термометрии при повышенных температурах, которые требуют для своего решения применения миниатюрных терморезисторов, полученных на основе широкозонных полупроводников, включая бор, карбид кремния и др.
Высокотемпературные терморезисторы на диапазон 170 – 720 К изготовлены из пленок карбида кремния методом ВЧ распыления. Было разработано два варианта приборов. В первом подложками служили пластины окиси алюминия размером 70х70 мм, из которых далее вырезались элементы 8х1 мм. Контакты выполнялись из платины, которая наносилась в виде пленки на подложку, образуя гребенчатую структуру. Во втором варианте в качестве подложек использовались монокристаллические пластины кремния. Контакты выполнялись из хрома и золота. Элементы изготавливались путем фотолитографического формирования. Размеры элементов 0.9х0.9х0.1 мм, время релаксации приборов – менее 0.1 с. Сопротивление терморезисторов составляло 10 кОм – 1 МОм.