Полупровлдниковый преобразователь давления Советский патент 1980 года по МПК H01L29/84 H01L29/51 

Изобретение относится к области ареобразования механического сигнала в электрический, а точнее к приборам реагирующим на приложенное механическое давление изменением эле ктрических парметров - полупроводни KOBbjM преобразователем давления. Известны полупроводниковые тензодатчики, выполненные на основе р-п-перехода 1} . В таких элементах приложение механического давления приводит к изменениюинжектирующий способности р-п-перехода, т.е. изменению протекающего тока. Эти элементы отлича ся малой чувствительностью, сильной зависимостью параметров от температ Тензочувствительность удается ув личить использованием гензочувствительных элементов на основе Шотткиконтактов , В таАом элементе образуется запо ный контакт па границе металл-полупроводник. Так же, как и в р-п-переходе, при приложении давления происходит изменение ширины запрещенной оны, как следствие, изменение барьера ко такта и генерационных токов. При эт меняется инжектирующая способность контакта, а, следовательно, меняется ток, протекающий через систему. Большая чувствительность по сравнению с р-п-переходом обусловлена-близостью запорного слоя к поверхности, а точнее, непосредственным расположением у поверхности, на которую производят давление. Вместе с тем Шоттки-диоду присущи многие недостатки, свойственные р-п- переходу и, в первую очередь, сильная температурная зависимость параметров. Кроме того, в области прямых смещающих напряжений, где наблюдается наибольшая тензочувствите.г1ьность, прибор обладает малым сопротивлением, что уменьшает получаемый сигнал по напряжению. Пз-за сильной нелинейности вольт-амперной характеристики здесь могут применяться только стабильные источники питания. В области обратных смещений прибор обладает большим сопротивлением, насыщающейся ВАХ, что уменьшает требования на стабилизацию источников питания, но в то же время, коэффициент тензочувствительности здесь мал из-за малых протекающих TOKOS. Увеличение тензочувствительности в этом направлении возмож.но введением рекомбинационных центров

в область обеднения контакта, что связано с усложнением технологии.

Наиболее близким к предлагаемому являетсл полупроводниковый преобразователь давления на основе многослойной структуры, с1остояцей из слоя невырох денного полупроводщ1ка, туннель но-прозрачного диэлектри еского слоя и электрода рТ .

В HssecTHOfi полупроводниковом преобразователе давления диэлектрический слой выполнен из двуокиси кремния, а электрод из двуокиси олова. Использование в качестве электрода только двуокиси олова усложняет конструкцию прибора, так как требует применения сложных технологичес| их методов нанесения пленок.

Цель изобретения - упрощение конструкции .

Это достигается тем, что электрод выполнен из матерпаша, работа выхода которого отлична от работы выхода полупроводника и разность их работ выхода приводит к созданию у поверхности полупроводника слоя, обогащенного основныг-т носителями. На чертеже изображен преобразователь давления, содержаций полупроводниковую подложку 1 п- или р-типа, на которой расположен туннельнопрозрачный диэлектрический слоП 2 я электрод 3, выполненный из металла или вырожденного полупроводника.

В случае: полупроводника п-типа работа выхода материала электрода меньше работы выхода полупроводника, в случае полупроводника р-типа работа выхода материала электрода должна быть больше работы выхода полупроводника.

Работа преобразователя заключаетс Е следующем,

При отсутствии напряжения поверхность полупроводника обот ащена основными носителями, что определяется разностью работ выхода меклу полупроводником и электродом. Приложение обратносмещаквдего напряжения (минус на метс1лл, в случае полупроводника п-типа) приводит к тог«у, что основные носители выталкивгиотся в объем полупроводника, а неосновные носители подтягиваются полем к поверхности полупроводника, так как толщина диэлектрика мала, неосновные носители покидаиот повер; ность полупроводника, туннелнруя через диэлектрик, В выбра ном даалазоне толщин диэлектрик способен пропустить весь ток, обусловленный термогенерацией у поверхности Следствие этого - появление неравновесно обедненного слоя у поверхности, т.е. ситуация подобная Ейотткиконтакту.

В то же время из-за падения напря жения на слое диэлектрика при переходе от обогащения к обеднению уровень Фep ra-мeтaллa смещается по направлению к зоне пpoвoди ocти. При достижении уровнем Ферми-края зоны проводимости, через слоП диэлектрика начинают протекать значительные туннельные токи с уровня Серии-материала электрода на разреиенные состояния в зоне проводимости полупроводника. Модально можно представить, что сопротивление диэлектрика значительно уменьшается и становится меньше сопротивления обедненной области. Поэтому, дальнейшее увеличение напряжения падает на полупроводнике, и таким образом, уровень Ферми-металла ье смещается заметно, т.е. менее кТ, относительно края зоны проводимости, что обеспечивает насыщающийся характер ВЛХ. В таком состоянии ток, протекающий через , определяется расстоянием мепду краем зоны проводимости полупроводника и уровнем Ферми-матеркала электрода , плoтнocть э состояний в зоне проводимости и прозрачностью барьера, т.е. толщиной слоя диэлектрика. Прозрачность барьера, плотность состояний в зоне мало зависят от температуры. Величина близка к нулю, что также делает ток нечувствительным к изменениям температуры.

В то же время из-за того, что ток в приборе обусловлен туннелированием электронов непосредственно с уровня Ферми-металла, его величина может быть достаточно большой, что определяется толщиной диэлектрика.

Тепловая генерация в обедненной области создает ток неосновных носителей к поверхности полупроводника. Из условия непрерывности тока этот ток должен проходить и через слой диэлектрика. Так как диэлектрик обладает конечной, е равной единице вероятностью тунпелирования, то для обеспечения непрерывности тока на грнице диэлектрик - полупроводник должен накопиться какоЛ-то заряд неосновных носителей Р. При приложении механического давления к прибору происходят уменьшение ширины запрещенной зоны полупроводника, увеличивается генерационный поток неосновных носителей к поверхности полупроводника. Следствие этого - увеличение накопленного заряда на границе полупроводник - диэлектрик Р +uPg, что приводит к изменению поля Е+ДЕ в слое диэлектрика. Последнее приводит к смещению уровня Ферми-материала электрода относительно края зоны проводимости 1| « л ( , т.е. к изменениюпротекающего тока. Соотношение между работами выхода-материгша электрода и полупроводника и типом полупроводника является принципиальным. При меньшей работе выхода материгшаэлектродапо сравнению с полупроводником п-типа, на поверхности полупроводника при отсутствии смещения

увеличена концентрация основных носителей, при этом расстояние между уровнем Ферми-металла и краем зоны проводимости невелика. По мере увеличения смещения это расстояние дополнительно уменьшается до величин, близких к нулю, что является необходиглым условием большой чувствительности к давлению. Если для того же типа полупроводника работа выхода металла будет больше, то в исходной (ситуации на поверхности полупроводни«а будет обеднение или инверсия, при этом расстояние между уровнем Фермиметалла и краем зоны проводимости велико. В такой ситуации при приложении смещения условия, соответствующие неравновесию,выполняются раньше, чем уровень Ферми-метгигпа успевает сместиться к краю соответствующей зоны. При этом величина 4 остается большой, и чувствительность к давлению Псщает до величин, свойственных Шоттки-диоду,

Предлагаемый преобразователь давления наряду с увеличением чувствительности к давлению и уменьшением температурной чувствительности по сравнению с преобразователями давления на р-п-переходах и Шсггтки-диодаху .расширяет выбор возможных материалов ,по сравнению с известной конструкцией, в которой электрод выполнен из что позволяет упростить конструкцию, и, следовательно, технологию изготовления прибора, что, с свою очередь, приводит к возможности более широкого применения. Например, становится возможным использование, широко распространенных в интегральной технологии металлов, как алюмини и золото, в паре с полупроводниками п- и р-типа соответственно.

Формула изобретения

0

Полупроводниковый преобразо ватель давления на основе многослойной структуры, состояц й из слоя невырожденного полупроводника,туннельно-прозрачного диэлектрического слоя и электро5да, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции электрод выполнен-из материала, работа выхода которого отлична от работы выхода полупроводника, и разность

0 их работ выхода приводит к созданию у поверхности полупроводника слоя, обогащенного OCHOBHHNM носителями.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

5

1.Полупроводниковые тёнзрдатчики. Под. ред. М.Дина, М,, Энергия, 1965, с. 3-40.

2.Авторское свидетельство СССР 252G96, кл. G 01 Б 1/18, 1968.

0

3.Патент США W 4011577,

кл. 357-26, опублик. 1977 (прототип).

/