Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ основных направлений исследования и разработок в области теплоэлекктроники
1.1. Структура и основные характеристики теплоэлектрических преобразователей на основе терморезисторов с косвенным подогрезом 14
1.2. Теплоэлектрические преобразователи на основе поликристаллических полупроводников 27
1.3. Теплоэлектрические преобразователи на основе терьюрезн-сторов с монокристаллическим ТЭ 42
1.4. Применение теплоаіектрических преобразователей на основе терморезисторов косвенного подогрева 60
1.5. Теплоэлектрические преобразователи на основе приборов ср-л-переходами 70
1.6. Предложения по использованию приборов с переходами в качестве элементов теплоэлектроники 84
Заключение 92
Глава 2 Разработка полупроводюкового теплоэлектрического преобразователя как базового элемента приборов и устройств теплоэлектроники .
2.1. Изучение процессов выделения и распространения тепла в полупроводниковых структурах ср-и-переходами 95
2.2. Изучение методов преобразования температуры в электрический сигнал в полутрсвознихсвых структурах с-переходами 125
2.3. Исследование и разработка транзисторного преооразевателя тепловой мощности в электрический сигнал 152
2.4. Разработка транзисторного теплоэлектрнческого преооразователя как базового элемента теплоэлектроники - теплотрона 168
2.5. Промышленные аналоги базового элемента теплотроники - теплотрона 173
Заключение 180
Глава 3 Основы построения приборов полчттроводниковой электроники с тепловой связью
3.1. Принципы построения интегральных усилителей с тепловой связью 183
3.2. Принципы построения низкочастотных генераторов периодических колебаний с использованием тепловой обратной связи 192
3.3. Разработка прецизионных источников напряжения на основе теплоэлектрнческнх преобразователей 199
Заключение 207
Глава 4 Разработка системы датчиков физических величин на основе базовых элементов теплоэлектроники .
4.1. Разработка датчика температуры на основе транзисторного преобразователя тепловой мощности в электрический сигнал 208
4.2. Разработка датчика скорости потока жидкости или газа - термоанемометра ка основе транзисторной структуры типа КТ118 А 211
4.3. Принципы создания датчика давления на основе элементов теплотрона 214
4.4. Принципы создания датчика освещенности на основе элементов теплотрона 219
4.5. Разработка многофункционального транзисторного датчика на основе элементов теплотрона 227
Заключение 238
Глава 5 Области применения элементов и устройств теялоэлектроники в промышленности и народном хозяйстве .
5.1. Применение преобразователей и интегральных схем с тепловой связью в народном хозяйстве 241
5.2. Применение датчиков физических величин на основе элементов теплоэлектроники в народном хозяйстве 252
5.3. Применение многофункционального датчика на основе теплотрона для вооружений и военной техники 258
Заключение 264
Выводы по работе . 265
Литегзатура 268
- Теплоэлектрические преобразователи на основе поликристаллических полупроводников
- Исследование и разработка транзисторного преооразевателя тепловой мощности в электрический сигнал
- Принципы построения низкочастотных генераторов периодических колебаний с использованием тепловой обратной связи
- Разработка многофункционального транзисторного датчика на основе элементов теплотрона
Введение к работе
Электроника во всем мире переживает очередную революцию. Усложнение функций радиоэлектронной аппаратуры привело к резкому усложнению самих радиоэлектронных систем и, как следствие, к лавинообразному росту активных и пассивных компонентов. в системах. Современный этап конструирования радиоэлектронной аппаратуры характеризуется ее комплексной міпшатюризациєй на основе широкого применения микроэлектронных схем, исчезает понятие «электронная компонентная база», появляется - «система на кристалле». Зачастую уже практически невозможно провести границу между электронным компонентом и радиоэлектронной аппаратурой. В настоящее время уровень интеграции в СБИС превышает 10б компонентов/кристалл (площадь типовых кристаллов 2,5 мм2). Дальнейшее повышение .уровня интеграции ограничивается не проблемами проектирования интегральных схем и ке технологией их изготовления, потенциальные возможности которой будут исчерпаны не скоро, а чисто физическими факторами [1].
Наиболее серьезное ограничение связано с отводом тепла от мтфоструктур. По мере уменьшения размеров микроструктур, возрастают трудности отвода, выделяемой ими тепловой энергии и, вследствие этого, лимитируется дальнейшее повышение уровня интеграции и надежности интегральных схем. Снижение мощности рассеяния микроструктур (по мере увеличения степени интеїрапин) за счет понижения подводимой энергии ограничено минимальной мощностью, необходимой для обеспечения работоспособности схемы.
Другим фактором, сграничзшяющнм уровень интеграции, является рост электрического сопротивления проводников с уменьшением размеров ьяЕкроструктур, приводящий к ^еличению выделяемого схемой тепла и потерь в ней.
Не менее важное влияние на ограничение .уровня ігнтег^аіщп оказывает явление злектромиграцшг в пленочных лроводнгжах (двггжешге ионов) при высоких плотностях тока. Это явление также обусловливает снижение надежности.
Кроме того, для обеспечения высокой надежности сложных радиоэлектронных систем, содержащих большое число интегральных схем, необходимо многократное резервирование, что приводит к увеличению числа компонентов.
Таким образом, перед интегральной электроникой по существу снова возникают те же проблемы, которые стимуяиров&тк вначале ее развитие: 'Проблема «возрастающих количеств», оргашсаггии межсоединений и повышения надежности. Несмотря на коренное преобразование технологии, интегральная электроника не содержит в себе революционной научной идеи, необходимой при создании сверхсложных радиоэлектронных систем. Как известно, в интегральной электронике используются пришщпы классической теории цепей, а сейчас уже не вызывает сомнения, что ни одно из направлений, основьшающихся на классической схемотехнике, не может дать полного решения проблемы возрастающих количеств. Все эта направления обеспечивают реашгзаггдю заданных фушший системы путем составления адекватной электрической схемы на соответствующих компонентах, работа которых основана на физических свойствах используемого вещества. Поэтому разработка методов и средств, направленных на решение перечисленных выше проблем микроэлектроники, имеет обоснованную актуальность. Исследования и разработки последних лет в области микроэлектроники показывают, что прингщпиальное решение проблемы возрастающих количеств может быть получено только при полном отбрасывании' понятий классических
цепей и непосредственном использовании основных свойств вещества для выполнены функций системы. Б таком случее эти функции осуществляются без объединения компонентов в системы и без многократного увеличения их количества. На этих принципах основывается отдельное направление ьшкроэлектроники, подучившее название функциональной электроники. Примерами простейших фунпщональных устройств могут язиться многие из уже существующих приборов, часть которых появилась задолго до того, как проблема возрастающих количеств приобрела такую актуальность. Среди них следует назвать пьезоэлектрические резонаторы, датчики холла, приборы с отрицательньш сопротивлением. Широкими функциональными возможностями обладают приборы, основанные на использовании объемных явлений в полупроводниках (диоды Ганна приборы с зарядовой связью). В этих .устройствах основная энергия рассеивается почти во всем объеме кристалла, поэтому проблемы тегсгоотвода в них менее серьезны, чем в классических приборах с р-п- переходами.
Для решения проблемы развития функциональной электроники требуется проведение фундаментальных исследований. Многие физические явления в твердом теле необходимо изучить теоретически и экспериментально, прежде чем они будут использованы для создания конкретных функциональных систем.
В настоящее в^емя в радиоэлектронике существует несколько направлений исследований и разработок, основанных на непосредственном использовании известных физических явлений и их взаимодействия, которые потенциально интересны с точки зрения создания в будущем функциональных систем. К таким направлениям относятся: оптоэлектроника акустоэдектроника, криогенная электроника молекулярная электроника, теплоэлектроника Базовым элементом электроники является транзистор, іфедставляющий собой систему двух взаимодействующих р-п-переходов, причем непременным условием такого взаимодействия является достаточно малая толщина базы. Носителем информации в транзисторе, как
тгоеобразо?.::т=дъ:-;-:м элементе, яз.тлстся элсктрсн^^: поте»: т~к?р::че::і*:і
тою. Аналогично п для ъсех нгітрсі-Лсі-зій фуксзіонзльной і-леї-:грок:і-л
характерно наличие . своего базового элемента, ьы~олклюш;го
преобразовательные фгтгацгл. Ко стлклтелькой особенность:-:» каждого
направ лензп фукьзшональней электроники является использование в
преобразовательном элементе своего знергепкеского потока. Та,*: например, в
преобразовательном элементе опгоэлекгронпки используется световой поток,
в преобразовательном элементе акусто электроники - акустический поток, в
преобразовательном элементе тегпоэлектроники - тепловой поток и т. п.. Б
струзпурном отношении все преобразовательные элементы следует
рассматривать состояппши из двух осеоххых элементов: >тфавляюшего и
управляемого, - связанных между собоїі передающей средой. Кроме того, все
преобразователи функциональной электроники имеют сходный механизм
преобразования, суть которого, на примере работы оптозяектрического
преобразователя- заключается в следующем [2, 3].
I Мощность электрического сигнала. поступающего на вход
оптоэдектрического преобразователя, преобразуется в энергию светового сигнала (первая ступень преобразования), а выделяющаяся световая энергия через светолередающую среду передается ко второму - управляемому -элементу, чувствительному к изменению светового потока. Световая энергия преобразуется управляемым элементом в электрический сигнал (вторая ступень преобразования). Практика показывает, что перспективы развития и использования того или иного направления функциональной электроники во многом определяются конструктивными и технологическими возможностями преобразовательного элемента, а также физическими свойствами энергетического потока, примененного в конкретном преобразовательном элементе [4].
Так, например, огггоэдектроника, как наиболее развитое направление функциональной электроники, базируется на оптоэлектронных методах
получения, передачи и хранения информации. Оскоеок направления является
3'ч:С-.ГМ гЛЄгГГ}ІГ-ІЄЛ\"їХ СЗЛЗіЛ 3 іраДЇППїС'НН.'ІХ ЗЛсЬГГ?ОН!гїЬІХ ІІсГГ.іл
оїличєсіз^зї. Іі;~ользсь-ш::с оггп-ічсских сьязей т.огг:~т сое-ліг-г-гть пох-гую злскірігче;зсуїо рзвязку ме:і:ду элементами н уздами рзддоздектрокніїл устройств, малый \рогекь шумов и высокую надежность. Пои этом появляется возможность ігрішщппїально по-новому подойти к констдодювакгпо іштегральяьгх схем. Одним из первых шагов в этом направления явгпось создание огггоэлгктрических пар или оптронов [4], преобразующих электрический сигнал в оптический, а затем снова в электрический, и, соответственно, представляющих собой сочетание источника света, световода и фотопрнЬїштка. Оптроны не чувствшельны к искрению, вибрациям; быстродействие некоторых тігпов оптронов измеряется наносекундами; напряжение пробоя большинства оптронов лежит в пределах 1 - 5 кВ; ширина рабочей полосы частот превышает 5 МГц. Наиболее радикальным способом шшиатюрязащгя оптоэлектронкых устройств является создание оптических интегральных схем. Благогфіьятствроїшш фактором оказывается то, что мнопіе методы технологии современной интегральной электроники находят прямое ели косвенное применение в технологии создания оптических интегральных схем. Любая оптическая интегральная схема содержит оптрон. поэтом\т решение проблемы мггяиатюрпзации оптозлектроняых устройств -это, прежде всего, решение проблемы мшшатюрюапип оптрона. В качестве управляющего элемента оптрона доминирующее положение занимают нехогереигаые источники света - полупроводниковые светоизлучающпе диоды. Наиболее распространёнными среди них считаются светодиоды из арсенида галлия и фосфида галлия. Однако для использования в оптических интегральных схемах больше подходят когерентные источники - лазеры. Особое место в оптоэлекгронной технике занимают позгутгроводшгковые лазеры (лазерные диоды на основе р-л-переходаи гетеролереходные диоды).
В качестве управляемого элемента оптрона в настоящее время наиболее перспективными ггрпёмнпками света с точки з_ренпя интегральной оптики
і
светоп:зо?одлііпи: плёнок. Сттлътгрно тонкоплскочные световоды похожи на оптические 2слои?.. Поперечок размены :к не превышай! нескольких :.:i2\t>OH. Напоо.тее шпоско лспользтєлбг:і пол^грево;шг1швы?х материалом для создания плёночных СБЄТОЕОДОВ является арсенпд галлия. Таким образом. оптической интегральной схемой является обычная микросхема выполненная на кристалле кремния, со встроенным в неё отроком с помощью плёночной технологии. Монокристатлическсто варианта изготовления оптических интегральных схем. как это имеет место в классической мш-роэлектроыгке. пока что не имеется, но работы в этом перспективном направлекші мшшатюризашш оптоэлектронных устройств ведутся, и развитие опгоэлектронпки продолжается.
Оптрокы и оптические интегральные схемы находят применение в контрольно-измерительной аппаратуре, блоков сопряжения компьютеров и других устройствах и являются практтгчески первыми оптозлектронными приборами, внедрёнными в современную технику. Позднее, за счёт самостоятельного использования элементов оптрона значительно расширилась номенклатура внедряемых в современную технику оптоэлектронных компонентов. Так например, светодиоды (некогерентные источники света), выполняющие роль управляющего элемента в оптронах, получили широкое применение в создании и использовании различных цифровых полупроводниковых индикаторов. Лазерные диоды (когерентные источники света) получили широкое применение в развитии отдельного направления оптоэлекгроника - отггическото, которое основано на эффектах взаимодействия твёрдого тела со светом. Примерами практической реализации возможностей этого направления оптоэлектрошгки могут служить оптические запоминающие устройства (ЗУ) большой ёмкости, устройства распознавания образов и управляемые фуккшгояатьяьге оптические среды.
V,
і !НТс"-'Є, К СиТ:П5ЛС-И ^- '".7. -IJH С Еч'.ІМОУлКССТЬгО ДО 2ZH'.5~-uLZ CO. u-*!!-""
плотностей запис;: информации. у.?лои стоззіостл и ьъкокг-и надежности.
ПтЛГМЄІЗоМИ ПССІлГЇГ-ІЄСКОЙ Г)Є^Лі::-ІІІ?ДІ ВОЗМОЖНОСТеЙ \7І0С2.1ЯсМ0І0
элемента оптрокев - фотодиодов и фототранзисторов могут служить
фогс'эдектрчгчеекие преобразователи (датчики освещёяноста).
фотоэлектрические Ееретспсчетелп, солнечные батареи.
Возможности световодов гораздо шире, чем выполнение функций обыкновенного светопроводлшего элемента. Меняя толщину' световода или показатель преломления материала световода, можно добиться эффекта, создаваемого лпязамд и призмами. Неоднородности структуры световодов могут играть роль светоделителей и светоотражателел.
Таким образом, из обшего рассмотрения уровня и пулей развития самого совершенного в настоящее время направления функциональной электроники -опгоэлектрокикп, можно сформулировать патовые задачи, решаемые на пути развития и совершенствования любого из перечисленных выше направлений функциональной электроники:
исследование физического явления и связанного с ыш энергетического потока, способного заменить электрические связи в традиционных электронных цепях;
создание базового преобразовательного элемента, подобного по структуре оптрону и пригодного для встраивания в обычные интегральные схемы и устройства мпфоэлектроники;
исследование возможных областей применения как базового преобразовательного элемента, так и отдельных его компонентов (управляющего элемента, передающей среды и управляемого элемента), а также разработка на их основе приборов и устройств, пригодных дна практического использования.
Теїшозлектроника, проблемам развития которой посвящена данная работа, в ряд;/ перечисленных выше направлений, потенциально интересных с точки зрения создания фуныпгонатьных систем, находится на последнем
ruUirw-Viv « рОБл-V i.'cl-iZiliiLZ. її ЭТО hvMV'i..i rla iV, 4xv iii.iV.di; . -vi-c^cri
« * 1 1 A.
прісут:т;зуют в любом устройстве радтісз.~«лрсн;пиі п что : ;.одессы
ПСеООрХСВаКЬЇ ЭЛсК701ГЧсСК0Й ЗКсСГІПЇ В ТсЛЛСЗ^Ю з шіігггзлькьіх ..\'5МЗл и
}пп;ро?лс5лроккьіх устройствах изучены до лракттгческн nj>. гедьчего соверикялва. Отсутствие интереса науки к тешто электронике об ?.-.'сняется тем, что долгое время в электронике тепловые процессы рассматривались как паразитные явления, поскольку они вызывали тепловую сви:;. между компонентами схемы и неустойчгшую работу как отдельного комле;:. лта так и всей схемы в целом. И хотя в отечественной и зарубежной л:- гературе появляются сообщения об испо.льзовачин тепловой связи для .оздаяия низкочастотных интегральных схем, разработчики электронных схем и устройств предпочитают, как и раньше, разрабатывать и внедрять методы, направленные кг устранение из скем тепловых связей. Однако сущее: ~}ют не только благоприятные конструктивные и технолопгческие пре "ДОСЫЛКИ внедрения элементов теплоэлектрошгки в традиционные интегральна схемы, но и область эффективного их использования. Благодаря .чаличню электрических и тепловых процессов в любой интегральной СХ'тМе, кет необходимости специального встраивания в неё элементов теллоэлез.-:роники, поскольку любой элемент схемы может быть использован в качестве преобразователя электрической энергии в тепловую и для передачи её близлежащим элементам. Такий: образом, осуществление функций преобразования и передачи теплового сигнала в обычной интегральной схеме можно обеспечить благодаря использованию электрических и тепловых процессов в специально подобранных областях подугфоводкпкового кристалла с интегральной схемой. С другой стороны, тегшоэлекглгческие процессы обладают значительной инерционностью, что г г-зволяет использовать простой метод реализации больших постоянных времени в физически малых объёмах. Таким образом, использование инердпокных тепловых процессов для линейного преобразования сигнала позе :.ляет не
*
кігзкіх частотам імїнєс 100 Гц), "ro и ебоснлъть область эффективного ггрїїмгкбіпіл Т5тп:электрсн1^-:. OzHfi-::-. в настоящее в-эгмя ке существует теля о электроники, как самостоятельного направлення функциональной электроники, поскольку в технике отсутствует базовый ісктегралькьпі преобразовательный элемент, анатепг-гный оптрону в опгозлектроніїке. Назовем его «теплотрок». Как было отіієчєно выше, по своей структуре тегпотрон аналопгчен оптрону. Поэтом}' работа, посвященная основам создакпя базового интегрального преобразовательного элемента тегаозлекгрсктші и на его основе тегпоэлсктронных приборов л устройств, обеспечивающие появление в .лягкрозлектронлке нового направления функциональной электроники - тешоэлектроники. является не только актуальной, но и новой.
1 *
Теплоэлектрические преобразователи на основе поликристаллических полупроводников
Для получения ТЭ с возможно меньшим разбросом по сопротітлекию и ТКС разработаны скососы управления электропроводностью поликристалпческого полупроводника. Для этого используют физико-химические процессы, ітротекаюшие в пошікристадлическіїх полупроводниках сложного состава при различных температурах. В [3, 4] подробно рассмотрено влияние различных методов термообработки на пошгкристатшческие полупроводники с ярко выраженным терморезистивным эффектом.
Для полутгроводниковьгх материалов, применяемых для ТЭ преобразователей, очень важна их термическая стабильность, поскольку преобразователи в ряде случаев предназначены для использования при повышенных температурах, в различных газовых средах и в вакууме. Для высокотемпературных преобразователей перспективны материалы иа основе стеклоутлерода.
Рассмотрим технологию выполнения термоэлектрических преобразователей с полутфисталлическим ТЭ [10]. Предварительно перечислим основные требования, предъявляемые к материалам, используемым для ТЭ преобразователей: материалы должны обеспечивать возможность варьировать сопротивлением материала для получения различных номинальных сопротивлений ТЭ; используемый для ТЭ материал должен иметь высокий температурный коэффициент удельного сопротивления (ТКр), чтобы обеспечивать значительный диапазон регулирования сопротивления ТЭ; материал должен иметь электронную или дырочную электропроводность, т. е. должна отсутствовать ионная электропровод кость, при которой происходит электролиз и значительно изменяется СОЇфОТК2ДгНІІЄ ТЭ при эксплуатации; надокгц. технология получения изделий должна быть простой. Желательно также, чтобы материалы, используемые для получения ТЭ преобразователей, были мало чувствительны к загрязнениям, имеющим место в процессе их технологического изготовления. Наиболее интересны для создания ТЭ преобразователей полупроводниковые материалы, обладающие большим ТКр. Отметим, что, хотя материалы со значительным терморезистпвным эффектом были известны еще в прошлом столетии, потребовалось провести большие исследования, чтобы синтезировать лолупроводниковые материалы, обладающие комплексом необходимых свойств. Термочувствительные элементы с отрицательным ТКС выполняют в основном из полутфоводншговых материалов, состоящих из смеси окислов переходных металлов, обладающих способность изменять в соединениях свою валентность. Соединения переходных металлов с кислородом обычно имеют резко выраженные полупроводниковые свойства. Для получения ТЭ широко используются сложные системы, в которых исходными компонентами являются окисные полутфоводниковые материалы Мпз04, СЮ, СоО, Со304, №0 [10]. Так, наиболее широко распространенные отечественные ТЭ (типов ММТ и КМТ) выполняют на основе медно-марганцевых и кобатьто-марганцевьгх полупроводниковых материалов соответственно. В последние годы для создания ТЭ преобразователей широко стали использовать смеси окислов меди, марганца и кобальта что позволило получить приборы с менышши допускаемыми отклонениями по сопротивлению и ТКС. В настоящее время ТЭ с отрицательным ТКС выполняются на основе большого числа оксидных полупроводниковых материалов, причем использование различных окислов обусловливает специфические особенности технологии и соответственно определяет параметры ТЭ. Среди оксидных пол\тіроЕоднїі:\ов для получения ТЗ кгл олыпш г интерес представляют такие, в которых по крайней мере один металлический ион образован из элементов, расположенных в переходном ряду таблицы Менделеева (от титана до меди).Переходные металлы, изменяя в соединениях свою валентность, позволяют синтезировать полупроводниковые материалы с необходимым значением проводимости, образуя твердые растворы двух пли более специально подобранных веществ, значительно отличающихся по проводимости. Так, на основе смесей окислов меди и марганца получены полупроводниковые материалы с удельным электрическим сопротивлением р=103—10 Ом. Особенностью этой системы окислов является постоянство энергии активации носителей зарядов в довольно широком интервале отношения Си;Мп. Удельное сопротивление кобальта-марганцевых оксидных полупроводников составляет от 103 до 107 Омм в зависимости от состава материала. Электрические свойства ме дно-марганцевых н кобальто-маргакцевых полупроводников определяются соотношением исходных окислов, входящих в состав материала, структурой материала, расположением и валентностью катионов в решетке, пространственным распределением кристаллических фаз, образующих материал, а также контактными явлениями в поверхностных слоях отдельных зерен поликристаллического полупроводника, прослойками с повышенным сопротивлением вследствие образования их при окислении поверхности зерен.
Получение необходимого сопротивления и ТКр достигается изменением процентного соотношения окислов металлов в композиции при использовании методов совместного осаждения щелочью азотнокислых соединений марганца, кобальта, меди и тфокаливания гидратов окислов (рис. 7). Для получения ТЭ исходный материал в виде порошка с органической связкой обрабатывается продавливанием через муліддггук или прессованием по технологии, широко используемой в керамическом производстве.
Исследование и разработка транзисторного преооразевателя тепловой мощности в электрический сигнал
В [5.12] ра:ргЗотзкытс:позлг:сгртгческпе преобразогателнЕ интегральном нсполнешгл ка основе мскокржта.ттяческого хранил. Применение по.тугфоводзжовых термочтестЕгггельных материалов МОНОКрИСТІТЛЕЧеСКОЙ структуры, обладающих повышенной по сравнег-ппо с окясньвш материалами стабильностью свойств, а также использование дтз создания приборов технодопческгсс процессов производства интегральных схем позволяют значительно уменьшить конструктивные размеры преобразовате.тя, ручшить их статические и динамические характеристики. Использование групповых методов обработки (вакуумного напыления, фотолитографии, диффузии) обеспечивает получение изделий с высокой идентичностью параметров.
Широкая номенклатура выпускаемых промышленностью монокристаллических полупроводниковых материалов позволяет создать преобразователи с разнообразными свойствами. Рассмотрим конструкции и характеристики кремниевых преобразователей, отличительной особенностью которых является повышение сопротивления при увеличении тока в цепи подогревателя. Преобразователь представляет собой кристалл кремния, в тепловом контакте с которым находится пленочный подогреватель, изолированный от ТЭ слоем двуокиси кремния. Для улучшения теплового контакта подогреватель расположен непосредственно над рабочим участком ТЭ. Конфигурация подогревателя и ТЭ позволяет получить большой теплотой поток от подогревателя к ТЭ и обеспечить, таким образом, высокую эффективность управления сопротивлением. Для зашиты от воздействия окружающей среды ТЭ помещен в герметичный металлостеклянный корпус. Для получения хороших динамических характеристик кристалл кремния изолирован от основания корпуса прокладкой из материала с низкой теплопроводностью. Контактные площадки ТЭ и пленочного подогревателя соединены с выводами корпуса тонкой золотой проволокой (рис. 17).
В качестве исходного полугфоводникового материала для изготовления ТЭ использован кремний типа р с удельным сопротивлением 0,01 — Юм-м. /Для создания пленочного резистивного подогревателя на юоляционный слой двуокиси кремния, полученный путем термического окисления поверхности кремниевой пластаны, методом ионно-шгазменного напыления наносится пленка сплава РС-3710 толщиной 0,008—0,02мкм. Материалом контактов к полупроводниковому ТЭ и резистивному подогревателю служит пленка алюминия толщиной Імкм, напыленная в вакууме. Необходимая конфигурация отдельных слоев получается методом фотолитографии. После проведения операций по формированию ТЭ и пленочного подогревателя выполняются скрайбирование и разламывание полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы, а затем производится сборка приборов. На одной кремниевой пластине диаметром 40мм удается получить до 1000 годных кристаллов.
Приборы имеют диапазон номинальных сопротнвленнн от ЗЗОм до 4.7кОм в зависимости от удельного сопротивления неходкого кремния и толщины пластин, сопротивление подогревателя 5000м, отклонение сопротивления ТЭ и подогревателя от заданного номинального значения не превышает ±10%. Используя различные комплекты фотошаблонов, можно расширить диапазон номинальных сопротивлений ТЭ до значений ЮОм — 33 кОм. Температурная характеристика кремниевого ТЭ (см. рис. 17) в широком диапазоне температур аппроксимируется степенной функцией где Ro — сопротивление ТЭ при нормированном значении температуры Т b—постоянная, равная 2,3 ддя ТЭ на основе кремния р-пша.
Из (15) видно, что с повышением температуры сопротпвлешіе кремниевого ТЭ увеличивается. Сопротивление Ro, измеренное при температуре Тз= 293 К, называется номинальным и указывается в паспортных данных прибора.
Функциональная характеристика теплоэлектрического преобразователя -зависимость сопротивления от тока подогрева- определяется изменением температуры его ТЭ, в общем случае зависящей от температуры окружающей среды Тс мощностей Рп и Рта, выделяющихся в подогревателе и ТЭ соответственно.
Распространенным режимом работы преобразователя является режим малых токов в цепи ТЭ. При этом мощность, выделяемая в ТЭ, не вызывает его разогрева, и при постоянной температуре среды сопротивление ТЭ определяется только мощностью подогрева. Функциональные характеристики прибора в этом режиме работы показаны на рис. 18.
Как видно из приведенных зависимостей, изменением мощности, рассеиваемой в подогревателе, можно в широких пределах управлять сопротивлением ТЭ. По мере увеличения тока в цепи ТЭ диапазон изменения сопротивления несколько .уменьшается (рис. 18). Изменение температуры окружающей среды также влияет на сопротивление ТЭ. Таким образом, термоэлектрические преооразователи язлльэтся приоорамл с двойным управлением, что широко используется в целом ряде устройств.
Принципы построения низкочастотных генераторов периодических колебаний с использованием тепловой обратной связи
Известно, что основой большинства изделий зякроэлекгрсншл являются приборы с /ьи-переходами (диоды, транзисторы и т.п.), для которых Еопросы выделения и распространения тепла являются важнейшими проблемами их изготовления и эксплуатации. Температура -«-переходов полупроводниковых приборов является важнейшим фактором, от которого зависят не только величины параметров приборов, но л надежность их работы. Общий характер закономерности таков, что с повышением температуры приборов ухудшаются их электрические характеристики, а надежность работы снижается. Именно по этой причине уделяется большое внимание обеспечению необходимого теплового режима работы изделий микраэлектроники при их проектировании, а также при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Работы, направленные на изучение тепловых процессов в диодах и транзисторах, а также на разработку методов и средств контроля температуры р-л-лереходов, лроводились параллельно работам по созданию и исследованию теплоэлектрнческих преобразователей на основе терморезисторов. Однако, если результатами изучения термоэлектрических характеристик устройств, изготовленных на основе полупроводниковых терморезисторов, явились экспериментальные обоснования структуры теплоэлекгрического преобразователя как базового элемента теплоэлектроники и конструктивно-технологические методы практической его реалшации в дискретном варианте, то результатами изучения теплоэлектрических процессов в устройствах, изготовленных на основе jp-и-переходов, были методы и средства измерения и контроля температуры jp-л-переходов при различных режимах рассеяния в них электрической мощности для последующего обеспечения необходимого теплового режима работы данных устройств. Поэтому задач, связанных с созданием теплоэлектрических преобразователей на основе jp-л-переходрв при разработке и изготовлении диодов, транзисторов, а позднее интегральных схем и интегральных мироустройств, в электронике не стояло. Но результаты раоот по созданию и внедрению методов и средств измерения и контроля параметров телзоэлекгрпчеазк процессов в р-п-переходе и прилегающих к нему областях в устройствах на основе р-п-переходов можно считать основными физическими и техническими предпосылкам к создашпо іптгегральньїл теплозлектрическнх преобразователей. В самом деле, большинство результатов, полученных при изучении тепловых процессов в диодах и транзисторах, можно трактовать как результаты изучения теплоэлектрпческих характеристик преобразователя мощности электрического сипша в тепловой сигнал, а большинство результатов, связанных с разработкой методов и средств измерения и контроля температуры /т-л-перехода можно трактовать как результаты изучения тепдоэлекгрических характеристик преобразователя мощности теплового сигнала в электрический сигнал. Следует отметить, что методы, разработанные для контроля температуры / -л-перехода (или /;-л-переходов) полутфоводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т.п.), гфшодны, как показала практика, и для контроля температуры / -л-переходов в микросхемах. В обзорной работе [151 рассмотрены основные методы, которые применяются на практике и в настоящее время для определения температуры в полупроводниковых приборов при рассеянии в них электрической мощности. Так например, для контроля температуры поверхности полупроводникового кристалла, в котором сформирована транзисторная структура (два р-п-перехода: эмитгерный и коллекторный), могут применяться непосредственные методы. Вообще говоря, все непосредственные методы позволяют определять температуру на поверхности кристалла, но эмиттер, а тем более коллектор находятся под поверхностью кристалла. При работе транзистора в активном режиме основная часть электрической мощности, подводимой к транзистору, рассеивается в коллекторном /ьл-переходе, в результате чего коллекторный р-л-переход нагревается. Температура поверхности кристалла над коллектором транзистора будет равна температуре коллекторного перехода только при отсутствии градиента тезтературы между поверхность» кристалла и коллекторным p-n-переходом, т.е. всё тепло, выделяемое в транзисторе, отводится только через коллекторную область кристалла, а такие условия работы транзисторной структуры не всегда удается получить. Зто значительно ограничивает возможности даже самых современных непосредственных методов, использующих, например, инфракрасное излучение. Для измерения температуры поверхности кристалла с «-переходами могут быть использованы различного рода датчики температуры, непосредственно контакпфутощие с контролируемой средой: термопары, герморезясторы, транзисторные датчики температуры [16-19]. Для определения температуры на поверхности структуры мощных транзисторов можно использовать методы, которые основаны на различных эффектах, происходящих с веществом при изменении температуры [20]. Поскольку большинство из этих методов имеет ограниченное применение в лабораторной практике (специальные исследовательские работы), то рассмотрим только основные их характеристики.
Метод газовых пузырьков основан на зависимости растворимости воздуха в жидкости от её температуры. При увеличении температуры растворимость газа уменьшается, и он выделяется в виде пузырьков. Этим методом можно определить лишь места перегрева. Количественное определение температуры невозможно потому, что ее" трудно связать с количеством выделенного газа и размерами пузырьков.
Метод испарения использует жидкости с температурой кипения, лежащей в диапазоне исследуемых температур. В местах повышенной температуры кипение начинается раньше н выделение газа обильно. Точное определение температуры невозможно. Использование метода ограничено плоскими структурами вследствие растекания жидкости.
В методе расплавления используются вещества, температура плавления которых находится в нужном диапазоне. В месте расплавления изменяются физические свойства вещества (например, прозрачность стеарина). Точное определение температуры невозможно. Применение ограничено плоскими структурам! Метод эвапарографа заключается в том, что на плоскую исследуемую поверхность наносится тонкий слой жидкости. При нагревании жидкость испаряется с мест более нагретых и конденсируется в областях менее нагретых. Толщина пленки жидкости изменяется. Наблюдая интерференционную картину, можно регистрировать изменение толщины пленки. Метод спекания основан на свойствах веществ белкового типа свертываться при повышенных температурах. Место свертывания соответствует локальному перегреву. Точное определение температуры невозможно.
Разработка многофункционального транзисторного датчика на основе элементов теплотрона
Проведенное в разделе 2.1. данной главы изучение процессов выделения и распростракеии тепла Б пол}Тфоводнга:овых структурах с /?-л-переходамл показало, что размеры и расположение источников тепла во многом зависят от конструкцій примененных преобразователей электрической энергии в тепло, а также от условий и режима их работы. Известные косвенные методы которые применяются для контроля температуры этих источников тепла, основаны на использовании термочувствительных параметров / -и-переходов (диодных или транзисторных структур), являющихся одновременно и нагревательными элементами и датчиками температуры. Данное обстоятельство требовало от разработчиков косвенных методов контроля температуры в диодных и транзисторных структурах для снижения погрешности измерения решения следующих задач: -устранение, по возможности, несоответствия условий калибровки термочувствительного параметра и условий его измерения при рассеянии в структурах с /ьл-переходами электрической мощности, обусловленное тем, что область тепловой генерации того или иного термочувствительного параметра отличается (как правило, превышает) от области кристалла, где выделяется основная часть тепла, и происходит усреднение результата измерения; - устранение, по возможности, влияния параметров электрического режима работы структуры с / -л-переходами на значение термочувствительного параметра; -устранение, по . возможности, аппаратурной погрешности при обеспечении раздельных режимов измерения температуры и рассеяния электрической мощности в кристалле с / -й-переходами. В практике измерения температуры в полупроводниковых приборах и интегральных схемах косвенными методами нашли применение несколько термочувствительных параметров, наиболее распространенньглш из которых язхтются обратный ток диода иди коллекторного перехода, прямое падение напряжения на диоде, на переходе коллектор-база и на переходе эмиттер-база, а также коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером. Так например, для измерения температуры в пол тфозоднизсоБых приборах косвенным методом необходимо на основании аналзоа выделения тепла при определенных" условиях и режимах рассеивания в них электрической мощности из всех термочувствительных параметров правильно выбрать тот, область тепловой генерации которого находится наиболее близко от объема полутгроводникового кристалла, где выделяется основная часть тепла. Правильно выбранный параметр в этом случае дает возможность получить ншшеньшую погрешность при измерении температуры области полупроводникового кристалла с наибольшим нагревом, а следовательно, получить наибольшую информацию о процессе преобразования электрической мощности в тепло. Как показано в главе 1 настоящей работы, принцип преобразования тепловой мощности в электрический сигнал с использованием термочувствительных параметров полутгроводниковых структур с р-п-переходами может быть положен в основу создания транзисторного теплоэлектрического преобразователя. Поскольку из определения структурной схемы теплоэлектрического преобразователя, сформулированного в главе 1 данной работы, нагреватель (или источник тепла) и приемник (или датчик тбмпературы) разделены тегглопередающим элементом таким образом, что каждый из них электрически изолирован друг от друга и имеют различные электрические режимы работы, то перечисленные выше трудности использования для измерения температуры в диодах и транзисторах могут не применяться в расчет при использовании этих термочувствительных параметров для преобразования тепловой мощности в электрический сигнал. С другой стороны, новая область применения термочувствительных параметров полутгроводниковых структур с /?-л-лереходами ставит и новые задачи их изучения и анализа. Во-первых, ш ЕСЄХ термочуъстаптедБЕБГл параметров транзисторной структуры выбрать наиболее эффективный параметр, поскольку он должен быть положен в основу базового теплозлекгрікеского преобразователя. Во-вторых, термочувствительный параметр должен иметь шшейную зависимость от температуры во всем рабочем диапазоне температур для обеспечения взаимозаменяемости преобразователя. В третьих, термочувствительный параметр должен иметь высокий температурный коэффициент для обеспечения необходимой эффективности преобразования. В [40, 56, 57] рассмотрены методы измерения температуры внутри кристалла полупроводниковых приборов. Дан сравнительный анализ оценки точности измерения температуры перехода по известным термочувствительным параметрам при условии равномерного распределения тока по площади эмиттерного перехода. В таблице 5 приведены сравнительные данные по измерению температуры коллекторного перехода для маломощных транзисторов, изготовленных по различной технологии, с использованием наиболее известных термочувствительных параметров (обратного тока перехода коллектор-база / прямого падения напряжения на переходе коллектор-база U , прямого падения напряжения на переходе эмиттер-база 11ЭБ коэффициента усиления по току / , входного сопротивления транзистора в схеме с общей базой / зависимости коэффициента усиления по току h2l3 от тока коллектора / , входных вольтамперных характеристик в схеме с общей базой).Данные получены при одинаковой для всех транзисторов мощности рассеяния на коллехторяом переходе р =\5$мВт при измерении методом переключения.
