Полупроводниковый датчик температуры

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ив Я 51)4 С 01 К 7/2 ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ.7 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ(56) Авторское свидетельство СССР У 347594, кл. С 01 К 7/22, 1972,Авторское свидетельство СССР У 972258, кл. С 01 К 7/00, 1980. (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ТЕИПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к полупро водниковой электронике и позволяет расширить диапазон рабочих температур. Тензочувствительный элемент 1 выполнен из карбида кремния в форме скобы переменного сечения с эпитаксиальнмм р-и-переходом 2, сформированным на ее основании и обеспечивающимпостоянство знака механической нагрузки по всему р-слою. При помещениидатчика в тепловое поле тензочувствительный элемент 1 испытывает дейормирующее воздействие со стороны термочувствительного элемента 3, выполненного в виде призмы иэ керамики. ЭтадеФормация приводит к изменению электрического сопротивления эпитаксиального слоя 6, легированного бором, используемого для определения температуры объекта, Элементы 1 и 3 соединены или через термокомпенсирующий слой Й 4, выполненный иэ хрома, либо на,неподвижной посадке. 3 ил.1 127375Изобретение относится к полупроводниковой электронике и технике измерения температуры и может быть использовано в измерительных системах как первичный преобразователь темпе ратуры.Целью изобретения является расширение диапазона рабочих температур.На фиг.1 изображен предложенный датчик, общий вид; на Аиг.2 - то же, вариант выполнения; на Аиг.3 - его типичная термометрическая характеристика - зависимость сопротивления от температуры.Датчик содержит тензочувствитель ный элемент 1, выполненный из карбида кремния в Аорме скобы переменного сечения с эпитаксиальным р-и-переходом 2, сАормированным на ее основании, термочувствительный элемент 3, выпол ненный в Аорме призмы из керамики. Термочувствительный элемент 3 соединен с тензочувствительным элементом 1 своими торцами на неподвижной посадке (фиг.2) или сплавлен с ним через термокомпенсирующий слой 4, выполненный из хоома.Кроме того, датчик содержит электрические выводы 5, размещенные вдоль эпитаксиального слоя 6 р-п-перехода.Выполнение тензочувствительного элемента 3 из карбида кремния обусловлено тем, что этот обладающий тензосвойствами полупроводниковый материал имеет ширину запрещенной зоны 2,235 3,1 эВ в зависимости от политипа. Такая ширина запрещенной зоны вместе с термостабильностью (в отличие, например, от алмаза), делают полупроводник и р-и-переходы в нем работоспособными40 до очень высоких температур (по теоретическим оценкам до 1973 К).Необходимость Аормирования р-и-перехода 2 вызвана особенностями тензоэффекта в полупроводниках: при изме 45 кении знака нагрузки коэффициенты тензосопротивления также меняют знак, сохраняя свое значение по абсолютной величине. В отсутствии р-и-перехода при повышении температуры верхняя50 часть предлагаемого полупроводникового датчика температуры оказывается сжатой,а нижняя - растянутой, т.е. суммарное действие механической нагрузки на сопротивление объема тензочувствительного элемента равно нулю, При наличии же р-слоя 6 на и-подложке используется лишь изменение сопротивления данного слоя, причем р-слой О 2работает лишь на растяжение (приТТ ) либо на сжатие (при ТТ,),т.е. механическая нагрузка на р-слой,изолированный от и-подложки р-и-переходом, оказывается постоянного знакапо всему сечению р-слоя,В качестве легирующего элементапри создании р в сл 6 использованбор, имеющий высокую растворимость вкарбиде кремния, а также достаточнобольшую энергию ионизации (0,39 эВ),что обеспечивает экспоненциальныйспад удельного сопротивления до температур порядка 873 К, Вследствие того, что электрические выводы 5 расположены по обе стороны области деАормации тензочувствительного эпитаксиального слоя б, тензоэАфект приводитк дополнительному уменьшению его сопротивления и в области температур873-1973 К является основным источником изменения сопротивления преобразователя.Нижний предел концентрации легирующей примеси бора обеспечивает только компенсацию неконтролируемых донорных примесей в процессе эпитаксии,но и работоспособность р-п-переходаво всем диапазоне температур, Верхнийпредел концентрации бора ограничен,предельной растворимостью бора в карбиде кремния (3 10см ).Материалом термочувствительногоэлемента может являться любая керамика с коэфАициентом температурного расширения, превышающим коэфАициент температурного расширения карбида кремния (5,94 ф 10 см/град). Термокомпенсирующий слой 4 обеспечивает механическую прочность конструкции датчика и жесткую взаимосвязь элементов с разными коэАфициентами температурного расширения, т,е. тензочувствительного 1 и термочувствительного 3 элементов,Датчик температуры работает следующим образом.Датчик помещают в тепловое поле, при этом разогреваются все элементы конструкции датчика, в том числе тензочунствительный 1 и термочувствительный 3 элементы и термокомпенсирующий слой 4.Термочувствительный элемент 3 выполняет роль источника деАормации. По мере разогрева он увеличивается в размерах вследствие теплового расширения(в соответствии с коэффициентом температурного расширения материала).Тензочувствительный элемент 1 помере разогрева в температурном поле также изменяет свои линейные размеры 5 в соответствии с коэААициентом температурного расширения карбща кремния, равным (5,12-5,94)10 см/град.кроме того изменение температуры тензочувствительного элемейта 1 сопровож дается и изменением его электроАизических свойств, обусловленных как свойствами карбида кремния (ширина запретной зоны), так в основном свойствами легирующей примеси (энергией 15 ее ионизации), Так как эпитаксиальный слой 6 электрически развязан с под-.ложкой р-и-переходом 2, то наблюдается экспоненциальное уменьшение сопротивления легированного бором эпи таксиального р-слоя 6 в соответствии с температурным коэААициентом сопротивления. Вследствие разных температурных коэфАициентов расширения сочлененных элементов конструкции дат чика: термочувствительного 3 и тензочувствительного 1 элементов - последний испытывает деАормирующее воздействие со стороны термочувствительного элемента 3. Эта деформация сопровож дается изменением электрического сопротивления эпитаксиального слоя 6, легированного бором, т.е, тензоэАфектом.Вследствие того, что электрические выводы 5 размещены по обе стороны области деАормации тензочувстви - тельного эпитаксиального слоя 6, то а ензоэААект приводит к дополнительному уменьшению его сопротивления (рслой испытывает сжимающее механическое напряжение). В результате действия обоих факторов (уменьшение сопротивления слоя вследствие ионизации примеси бора и уменьшение сопротивления вследствие тензоэфАекта) суммарное (интегральное) сопротивление слоя 6 продолжает уменьшаться и в области, где бор восновном ионизирован,По интегральному изменению сопротивления р-слоя 6 и по термометрической характеристике датчика определяется температура объекта измерения.П р и м е р. Полупроводниковыйдатчик температуры изготовлен с тенэочувствительным элементом из карбида кремния, выполненным в форме скобы переменного сечения 100-250 мкм,р-область р-и-перехода легирована бором 2 (+0,5) 10 см , и-область19азотом 3,5(+0,5) 10 см , контактыв р-области выполнены из сплава, ат.,%:алюминий 3; тантал 8; золото 89,контакты к п-области выполнены изсплава, ат,%: тантал 10; золото 90,Монтажные электроды термокомпрессией соединены с контактами. Термочувствительный элемент из поликорасечением 500 мкм 2 через шайбы хроматолщиной 150 мкм сплавлен с тенэочувствительным элементом. Формула изобретенияФПолупроводниковый датчик температуры, содержащий выполненные из материала с различным коэффициентом температурного расширения плоский термочувствительный элемент и соединенный с ним тензочувствительный элемент, снабженный электрическими выводами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона рабочих температур, тензочувствительный элемент выполнен из карбида кремния в форме скобы переменного сечения с эпитаксиальным р-п-переходом, сформированным на ее основании, а термочувствительный элемент выполнен иэ керамики и соединен с тензочувствительным либо своими торцами на неподвижной посадке или на концевых участках сплавлен с ним через термокомпенсирующий слой, выполненный из хрома, при этом электрические выводы размещены вдоль легированного бором эпитаксиального слоя р-п-перехода.ска едактор Л.Веселовск Корректо аказ 6467/38 Тираж 778 П ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 3035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5