ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1995 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к дискретной полупроводниковой электронике и может быть использовано в устройствах измерения, контроля и первичного преобразования температуры твердых, жидких, сыпучих и газообразных сред при их хранении, транспортировке, переработке и учете расхода и поступления. Известен полупроводниковый термочувствительный элемент на основе работающего в диодном включении биполярного транзистора [1], содержащего высоколегированную эмиттерную и низколегированную коллекторную области полупроводникового материала первого типа проводимости и среднюю по уровню легирования базовую область полупроводникового материала второго типа проводимости. Рабочие характеристики этого термочувствительного элемента отличаются большим разбросом и высоким уровнем нестабильности, что обусловлено конструктивными особенностями транзистора, предназна- ченного для преобразования электрических сигналов.

Известен также полупроводниковый термочувствительный элемент [2] , созданный на основе биполярного транзистора, содержащего высоколегированную эмиттерную и низколегированную коллекторную области полупроводникового материала первого типа проводимости и среднюю по уровню легирования базовую область полупроводникового материала второго типа проводимости и работающего в режиме микротоков, при котором I_э≈I_к≅ 50 кмА. Такой элемент отличается высокой чувствительностью к изменению температуры окружающей среды, поскольку в режиме микротоков ток эмиттера I_э≈ ехр (qU_э/2 кТ) определяется в основном рекомбинационной составляющей, зависящей от электрофизических свойств области объемного заряда перехода эмиттер-база. Основной недостаток этого термочувствительного элемента заключается в низкой стабильности его рабочих характеристик, так как электрофизические параметры области объемного заряда перехода эмиттер-база, ширина которой d_э δ не превышает 0,1-0,2 мкм, в сильной степени зависит от локальных свойств полупроводникового материала.

Наиболее близким техническим решением является описанный в [3] полупроводниковый термочувствительный элемент, представляющий собой биполярный диод, содержащий высоколегированные области полупроводникового материала первого и второго типа проводимости, покрытые слоями диэлектрика, и расположенную между ними промежуточную низколегированную область полупроводникового материала первого или второго типа проводимости, ширина которой превышает диффузионную длину неосновных электронов или дырок, инжектируемых в нее из любой высоколегированной области, причем к высоколегированным областям выполнены омические контакты. Такая структура термочувствительного элемента обеспечивает высокую стабильность его рабочих характеристик, поскольку они определяются электрофизическими параметрами промежуточной области, которые в свою очередь задаются режимами изготовления элемента и выбором исходного полупроводникового материала. Недостаток известного термочувствительного элемента обусловлен недостаточной высокочувствительностью к изменению температуры среды. Этот недостаток обусловлен тем, что внутри промежуточной низколегированной области рекомбинирует только один тип неосновных носителей (электроны или дырки) инжектируемых в нее из высоколегированной области полупроводникового материала противоположного типа проводимости. Другой тип носителей, инжектируемых в обратном направлении, т.е. из промежуточной низколегированной области, рекомбинирует в высоколегированной области. Следовательно, прямой ток термочувствительного элемента при любой температуре окружающей среды главным образом зависит только от концентрации неосновных носителей, рекомбинирующих в промежуточной низколегированной области.

Целью изобретения является повышение чувствительности элемента к изменению температуры окружающей среды при сохранении режима его электрического смешения. Поставленная цель достигается тем, что в известную конструкцию вводится дополнительная низколегированная область полупроводникового материала первого или второго типа проводимости, расположенная между высоколегированной и низколегированной областями полупроводни- кового материала второго или первого типа проводимости. В результате введения дополнительной низколегированной области получается четырехслойная полупроводниковая структура тиристорного типа.

Сущность изобретения состоит в том, что на поверхности высоколегированной области полупроводникового материала первого или второго типа проводимости формируется низколегированная область полупроводникового материала второго или первого типа проводимости с нулевым градиентом концентрации примесного распределения, на которой сначала формируется аналогичная низколегированная область первого или второго типа проводимости, а затем в полученной области или на ее поверхности, а затем в полученной области или на ее поверхности формируется высоколегированная область второго или первого типа проводимости. Крайние высоколегированные области термочувствительного элемента имеют равные или различающиеся величины объемного удельного сопротивления и каждая из них граничит с соответствующей низколегированной областью полупроводникового материала противоположного типа проводимости, ширина которой в два-три раза превышает диффузионную длину инжектируемых в нее неосновных носителей.

Такая конструкция позволяет симметрировать структуру термочувствительного элемента, т.е. частично или полностью уравнять вклады инжектируемых электронов и дырок в выходной ток прибора при приложении к нему электрического смещения. Таким образом, выходной ток I термочувствительного элемента при любой температуре окружающей среды будет состоять не из одной составляющей, а из суммы двух сравнимых по величине электронной I_n и дырочной I_р составляющих, каждая из которых определяется соответственно концентрациями примесных атомов N_g и N_a в высоколегироанных n⁺ и р⁺-областях. Для электронной и дырочной составляющих выходного тока элемента справедливы следующие корреляционные соотношения
I_n ≈ n_n ≈ N_g, I_р ≈ P_p ≈ N_a, где n_n и Р_р - концентрации основных электронов и дырок в крайних высоколегированных областях структуры соответственно. Поэтому увеличение δ чувствительности элемента со структурой n⁺ - p^- - n^- - p⁺ по сравнению с элементом со структурой n⁺ - p^- - p⁺ выражается отношением
δ ≈ = 1 +
При равных значениях диффузионных длин электронов, инжектируемых из n⁺-области четырехслойной структуры в р^-область, и дырок, инжектируемых из р⁺-области этой структуры в n^--область, чувствительность элемента, изготовленного на структуре n⁺ - p^- - n^- - p⁺, увеличивается вдвое по сравнению с элементом, изготовленным на структуре n⁺ - p^- - p⁺.

Изобретение поясняется графическим изображением полупроводникового термочувствительного элемента (чертеж). Структура заявляемого элемента включает в себя:
высоколегированную область 1 полупроводникового материала первого типа проводимости (например, n⁺ - типа);
низколегированную область 2 полупроводникового материала второго типа проводимости (р^- - типа);
низколегированную область 3 полупроводникового материала первого типа проводимости (n^- - типа);
высоколегированную область 4 полупроводникового материала второго типа проводимости (р⁺ - типа);
защитный диэлектрический слой 5;
омические контакты 6 и 7 соответственно к высоколегированным областям 1 и 4 полупроводникового материала;
проволочные выводы 8 и 9 соответственно от омических контактов 6 и 7.

Полупроводниковый термочувствительный элемент работает подробно динистору, т. е. четырехслойной тиристорной структуре при двухэлектродном включении. Отличие заключается только в том, что подвижные носители, инжектируемые из высоколегированных областей в смежные низколегированные области, полностью рекомбинируют в них и не захватываются электрическим полем обратно смещенного центрального р-n-перехода. Это приводит к некоторому видоизменению выходных характеристик, однако не влияет на общую тенденцию зависимости тока от приложенного напряжения.

Использование: в области дискретной полупроводниковой микроэлектроники, в устройствах измерения, контроля и первичного преобразования температуры любых сред при их хранении, транспортировке, переработке и учете расхода и поступления. Сущность: элемент содержит две высоколегированные области полупроводникового материала первого и второго типа проводимости. Эти области разделены двумя низколегированными областями полупроводникового материала второго и первого типа проводимости. На высоколегированные области нанесены защитные сои диэлектрика. В защитных слоях выполнены окна для омических контактов к высоколегированным областям. Ширина каждой из низколегированных областей в два-три раза превышает максимальные значения диффузных длин неосновных носителей заряда, инжектированных из смежных высоколегированных областей. 1 ил.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий высоколегированные области первого и второго типов проводимости, расположенную между ними низколегированную область первого или второго типа проводимости, омические контакты к высоколегированным областям и слои диэлектрика, расположенные на высоколегированных областях, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вторую низколегированную область типа проводимости, противоположного типу проводимости первой низколегированной области, расположенную между первой низколегированной областью и высоколегированной областью того же типа проводимости, что и первая низколегированная область, причем расстояние между областями одного типа проводимости в два-три раза превышает максимальное значение диффузионной длины неосновных носителей заряда в смежной высоколегированной области.