Полупровлдниковый преобразователь давления

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Респубпик(22) Заявлено 150978 (21) 2664916/18-25с присоединением заявки ЙО(23) ПриоритетС)публикорано 07,1080, Бюллетень М 9 37Дата опубликовамия описания 07.1080Н 01 1 29/84 Н 01 Т 9/48 Государствеииый комитет СССР оо делам изобретеиий и открытийОрдена Трудового Красного Знамени институтрадиотехники и электроники АН СССР(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Изобретение относится к областипреобразования механического сигнала в электрический, а точнее к приборам, реагирующим на приложенноемеханическое давление изменением эле 5ктрических парметров - полупроводниковым преобразователем давления.Известны полупроводниковые тензодатчики, выполненные на основер-и-перехода 111, 10В таких злелентах приложениемеханического давления приводит кизменению инжектирующий способностир-п-перехода, т.е, изменению протекающего тока, Эти элементы отличают ся малой чувствительностью, сильнойзависимостью параметров от температуры,)Тензочувствительность удается увеличить использованием февзочувствительных элементов на основе Шоттки- дконтактовВ таком элементе обраэуется запорный контакт на границе металл-полупроводник,Так же, как и в р-п-переходе, 15при приложении давления происходиткзменение ширины запрещенной роны,как следствие, изменение барьера кон"гакта и генерационных токов. При этомменяется инжектирующая способность 10 контакта, а, следовательно, меняетсяток, протекающий через систему, Большая чувствительность по сравнениюс р-п-переходом обусловлена близостьюзапорного слоя к поверхности, а точнее, непосредственным расположениему поверхности, на которую производятдавление,Вместе с тем Шоттки-диоду присущимногие недостатки, свойственные р-ппереходу и, в первую очередь, сильнаятемпературная зависимость параметров,Кроме того, в областй прямых смещающих напряжений, где наблюдается наибольшая тензочувствительность,приборобладает малым сопротивлением, чтоуменьшает получаемый сигнал по напряжению. Из-за сильной нелинейностивольт-амперной характеристики здесьмогут применяться только стабильныеисточники питанМя, В области обратных смещений прибор обладает большимсопротивлением, насыщающейся ВАХ,что уменьшает требования на стабилизацию источников питания, но в то жевремя, козйцциент тензочувствительности здесь мал из-за малых протекающих токов. Увеличение тензочувствительности в этом направлении возмож,но введением рекомбинационных центровв область обеднения контакта, чтосвязано с усложнением технологии,Наиболее близким к предлагаемомуявляется полупроводниковый преобразователь давления на основе многослойной структуры, Состоящей из слоя невырожденного полупроводника, туннельно-прозрачного диэлектркЧеского слояи электрода ИВ известцом полупроводниковом цре"образователе давления диэлектрический слой выполнен из двуокиси кремния, а электрод из двуокиси олова,Использование в качестве электродатолько двуокиси олова усложняет конструкцию прибора, так как требуетприменения сложных технологических 1методов нанесения пленок,Цель изобретения - упрощение конструкции,Этодостигается тем, что электродвыполнен из материала, работа выхода которого отлична от работы выхода полупроводника и разность их ра"бот выхода приводит к созданию уповерхности полупроводника слоя,обогащенного основными носителями.На чертеже изображен преобразователь давления, содержащий полупроводниковую подложку 1 и- или р-типа,на которой расположен туннельнопрозрачный диэлектрический слой 2и электрод 3, выполненный иэ металла ЗОилк вырожденного полупроводника.В случае полупроводника и-типаработа выхода материала электродаменьше работы выхода полупроводника,в случае полупроводника р-типа работа выхода материала электрода должна быть больше работы выхода полупроводника,Работа преобразователя заключаетсяв следующем. 40При отсутствии напряжения поверхность полупроводника обогащена основ=ными носителями, что определяетсяразностью работ выхода между полупроводником и электродом, Приложениеобратносмещающего напряжения (минусна металл, в случае полупроводникап-тица) приводит к тому, что основные носители выталкиваются в объемполупроводника, а неосновные носите- Оли подтягиваются полем к поверхностиполупроводника, так как толщина диэлектрика мала, неосновные носителипокидают поверхность полупроводника,туннегпируя через диэлектрик. В выбранном Вапазоне толщин диэлектрик способен пропустить весь ток, обусловленный тжмогенерацией у поверхности.Следствие этого - появление неравновесно обедненного слоя у поверхности, т,е. ситуация подобная ЬЬттки" 4 Оконтакту,В то же время иэ-за падения напряжения на слое диэлектрика при переходе от обогащения к обеднению уровеньФерми-металла смещается по направле нию к зоце проводимости, При достиженик уровнем Ферми-края зоцы проводимости, через слой диэлектрика начинают протекать значительные туннельные токи с уровня Ферми-материала электрода ца разрешенные состояния в зоне проводимости полупроводника, Модельцо можно представить, что сопротивление диэлектрика значительно уменьшается к становится меньшесопротивления обедненной области, Поэтому, дальнейшее увеличецие напряжения падает ца полупроводнике, и, таким образом, уровень Ферми-металла це смещается заметно, т.е. менее кТ, относительно края зоны проводимости, что обеспечивает насыщающкйся характер ВЛ;. В таком состоянии ток, протекающий через прибор, определяется расстоянием между краем зоны проводимости полупроводцкка и уровнем Ферми-материала электрода , плотностью состояний в зоне проводимости и прозрачностью барьера, т.е, толщиной слоя диэлектрика.Прозрачность барьера, плотность состояний в зоне мало зависят от температуры Величинаблизка к нулю, что также делает ток цечувствительцым к изменениям температуры.В то же время из-за того, что токв приборе обусловлен туннелированиемэлектронов непосредственно с уровня Ферми-металла, его величина может быть достаточно большой, что определяется толщиной дкэлектрика.Тепловая генерация в обедненной области создает ток цеосцовных носителей к поверхности полупроводника, Из условия непрерывности тока этот ток должен проходить и через слойдиэлектрика, Так как диэлектрик обладает конечной, це равной единицевероятностью тунцелирования, то дляобеспечения непрерывности тока на границе диэлектрик - полупроводник должен накопиться какой-то заряд неосновцых носителей РПри приложениимеханического давления к прибору происходит уменьшение ширины запрещенной зоны полупроводника, увеличивается генерационный поток цеосновных носителей к поверхности полупроводника. Следствие этого - увеличение накопленного заряда на границе полупроводник - диэлектрик Р + ЬРй, что приводит к изменению поля Е+ЬЕ в слое диэлектрика, Последнее приводит к смещению уровня Ферми-материала электрода отйосительно края зоны проводимости+ Ь , т,е. к измененкю протекающего тока, Соотношение между работами выхода материала элек трода и полупроводника и типом полупроводника является принципиальньщ, При меньшей работе выхода материала- электродапо сравнению с полупроводником п-типа, на поверхности полупроводника при отсутствии смещения713444 Составитель А.ПрохороваРедактор Т,Колодцева Техред А.Ач КорректорО.Билак Заказ 8678/73 Тираж 844ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Подпис ное филиал ППП Патент, г, Ужгород, ул, Проектная 4 увеличена концентрация основных носителей, при этом расстояние междууровнем ферми-металла и краем зоныпроводимости 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 жетипа полупроводника работа выходаметалла будет больше, то в исходнойситуации на поверхности полупроводни 1жа будет обеднение или инверсия, приэтом расстояние между уровнем Фермиметалла и краем зоны проводимости велико, В такой ситуации при приложении смещения условия, соответствующие неравновесию, выполняются раньше,чем уровень ферми-металла успеваетсместиться к краю соответствуюцейэоны. При этом величинаостаетсябольшой, и чувствительность к давлению падает до величин, свойственных Шоттки-диоду,Предлагаемый преобразователь давления наряду с увеличением чувствительности к давлению и уменьшениемтемпературной чувствительности посравнению с преобразователями давления на р-и-переходах и Шоттки-диодах,расширяет выбор возможных материалов,по сравнению с известной конструкцией, в которой электрод выполнениз БпОчто позволяет упростить конструкцию, и, следовательно, технологию изготовления прибора, что, ссвою очередь, приводит к возможностиболее широкого применения. Например,становится возможным использование,широко распространенных в интегральной технологии металлов, как алюминийи золото, в паре с полупроводникамии- и р-типа соответственно. ОФормула изобретенияПолупроводниковый преобразовательдавления на основе многослойной структуры, состояайй из слоя невырожденного полупроводника, туннельно-прозрачного диэлектрического слоя и электрода, о т л и ч а ю ш и й с ятем, что,с целью упрошения конструкции электрод выполнен иэ материала; работавыхода которого отлична от работывыхода полупроводника, и разностьих работ выхода приводит к созданиюу поверхности полупроводника слоя,ободацецного основными носителями,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Полупроводниковые тензодатчики. Под. ред. М.Дина, М., "Энергия", 1965, с, 3-40.2. Авторское свидетельство СССРР 252696, кл. С 01 Б 1/18, 1968.3. Патент СИА М 4011577,кл, 357-26, опублик. 1977 (прототип),