ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1994 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к дискретной полупроводниковой электронике и может быть использовано в устройствах измерения и контроля температуры твердых, жидких и газообразных сред.

Известен полупроводниковый термочувствительный элемент на основе биполярного диода, состоящий из контактирующих полупроводниковых материалов первого и второго типов проводимости с равными или различающимися величинами удельного объемного сопротивления [1].

Недостаток такого термочувствительного элемента состоит в низкой стабильности рабочих характеристик, что обусловлено влиянием на них изменяющихся в процессе изготовления элемента электрофизических параметров полупроводникового материала каждой из двух составляющих областей.

Известен также полупроводниковый чувствительный элемент на основе работающего в диодном режиме биполярного транзистора, содержащего эмиттерную и коллекторную области первого типа проводимости и базовую область второго типа проводимости [2].

Недостаток этого термочувствительного элемента также заключается в низкой стабильности рабочих характеристик, что непосредственно обусловлено конструкцией биполярного транзистора и технологией его изготовления.

Наиболее близким техническим решением является полупроводниковый термочувствительный элемент, представляющий собой биполярный транзистор, работающий в диодном режиме [3].

Недостаток такого термочувствительного элемента связан с низкой стабильностью рабочих характеристик, непосредственно зависящей от электронных процессов, протекающих в высоколегированных областях, стабильность и воспроизводимость электрофизических параметров которых не может быть обеспечена предложенной конструкцией.

Целью изобретения является повышение стабильности рабочих характеристик полупроводникового термочувствительного элемента.

Сущность изобретения состоит в том, что в низколегированной области полупроводникового материала первого или второго типа проводимости с нулевым градиентом концентрации примесного распределения формируют две высоколегированные области первого и второго типов проводимости, имеющие равные или различающиеся величины удельного объемного сопротивления и отстоящие друг от друга на расстоянии, в два-три раза превышающем максимальную диффузионную длину неосновных носителей, инжектируемых в низколегированную область из любой высоколегированной области при прямом смещении элемента.

Такая конструкция позволяет обеспечить получение выходных параметров полупроводниковых термочувствительных элементов, численные значения которых при заданных параметрах внешней электрической цепи и фиксированной температуре определяются только геометрическими размерами и свойствами полупроводникового материала низколегированной области, расположенной между высоколегированными областями первого и второго типов проводимости. Поскольку градиент примесной концентрации в низколегированной конструкции термочувствительного элемента равен нулю, то независимо от длительности высокотемпературных обработок, применяемых в процессе изготовления элемента, электрофизические параметры материала этой области остаются неизменными во всем ее объеме. Если внутри низколегированной области происходит полная рекомбинация неосновных носителей, инжектируемых в нее из высоколегированной области противоположного типа проводимости, то численные значения выходных параметров при указанных условиях будут определяться разностью между токами рекомбинации, соответствующими процессами инжекции из высоколегированной области в низколегированную и наоборот. Отсюда следует, что при концентрации примесных атомов в высоколегированной области одного типа проводимости, намного превышающей концентрацию примесных атомов в низколегированной области другого типа проводимости, ток термочувствительного элемента и падение напряжения практически будут зависеть только от концентрации примесных атомов, введенных в высоколегированную область. В первом приближении можно считать, что рекомбинационный ток пропорционален концентрации примесных атомов в области, из которой инжектируются подвижные носители.

При концентрации таких атомов в низколегированной области, например в n-области, равной N_g=10¹⁶ см^-3, и в одной из высоколегированных областей, например в р⁺-области, равной N_a=10²⁰ см^-3, отношение соответствующих токов рекомбинация составляет 10^-4 или 0,01 ат.%. Следовательно, при N_a>>N_g влиянием электрофизических параметров низколегированной области на выходные параметры термочувствительного элемента можно пренебречь, если дополнительно обеспечить полную рекомбинацию неосновных носителей внутри этой области. Стабильность выходных параметров должна повышаться по мере усиления неравенства N_a>>N_g, однако при очень малых величинах концентрации примесных атомов в низколегированной области на стабильность этих параметров будет оказывать влияние обратный ток диодной структуры I_обр., что особенно сильно проявляется в диапазоне высоких температур, так как I_обр. ≈ Т³. Поэтому оптимальной концентрацией примесных атомов в низколегированной области является концентрация N_g ≈ 10¹⁵-10¹⁶ см^-3 при концентрациях в высоколегированных областях N_a, N_g 10¹⁹-10²⁰ см^-3.

На чертеже изображен полупроводниковый термочувствительный элемент.

Предложенный элемент содержит высоколегированную область 1 полупроводникового материала первого типа проводимости (например n⁺ - типа), низколегированную область 2 полупроводникового материала первого или второго типа проводимости (n- или р^--типа), высоколегированную область 3 полупроводникового материала второго типа проводимости (например p+-типа), омические контакты 4 и 5 соответственно к областям 1, 3, защитный диэлектрический слой 6.

Полупроводниковый термочувствительный элемент работает подобно биполярному диоду. Отличие заключается только в том, что при прямом смещении термочувствительного элемента рекомбинация неосновных носителей, инжектируемых из высоколегированной области одного типа проводимости в низколегированную область противоположного типа проводимости, в основном происходит в низколегированной области.

Управление прямой ветви вольт-амперной характеристики термочувствительного элемента имеет вид
I = I_oe (1) где V_o - суммарное падение напряжения на границах раздела между низколегированной и высоколегированными областями структуры, а также непосредственно на самой низколегированной области, I - обратный ток;
q - заряд электрона;
k - постоянная Больцмана;
Т - температура структуры элемента, К;
m - фактор рекомбинации или коэффициент качества границ раздела между областями.

Аналитическая зависимость V=V/T выражается так:
V = ln (2)

Назначение: дискретная полупроводниковая электроника, устройства измерения и контроля температуры твердых, жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: элемент содержит две высоколегированные области первого и второго типов проводимости и низколегированную область первого или второго типа проводимости, расположенную между ними. Ширина низколегированной области выбирается в 2 - 3 раза больше максимального значения диффузионной длины неосновных носителей, инжектируемых в нее из любой высоколегированной области, концентрация примесных атомов в низколегированной области составляет не более 0,01 ат. % от наибольшей концентрации в любой из высоколегированных областей. К низколегированным областям выполнены омические контакты. 1 ил.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий высоколегированные области первого и второго типов проводимости, расположенную между ними низколегированную область первого или второго типов проводимости, омические контакты к высоколегированным областям и слои диэлектрика, расположенные на высоколегированных областях, отличающийся тем, что концентрация примесных атомов в низколегированной области составляет не более 0,01% от наибольшей концентрации примесных атомов в высоколегированных областях, а расстояние между высоколегированными областями в два - три раза превышает величину диффузионной длины неосновных носителей заряда в высоколегированных областях.