Semiconductor Primary Measuring Temperature Transducer for Air Vehicles

Full Text

Введение

Измерение температуры осуществляется в различных областях, таких как промышленность, медицина, авиация, оборона и т.д. В авиационной технике контроль температуры играет важную роль в системах электронного обеспечения. Сегодня ограничение по потребляемой энергии – основное требование к первичным измерительным преобразователям (ПИП) температуры в автономном управлении. Преобразователи температуры по материалу изготовления можно разделить на два класса: металлические и полупроводниковые, принцип работы которых основан на изменении величины удельной электропроводимости в зависимости от температуры.

Материал для металлического термометра сопротивления должен иметь высокий температурный коэффициент сопротивления, низкую электропроводность, однородность состава, устойчивость к окислительным процессам, высокую температуру плавления. Температурный коэффициент сопротивления металлических тонких пленок – напыленных термопар [1] и терморезисторов [2], по модулю гораздо меньше, чем у монокристаллических полупроводников. Причем, меньший температурный коэффициент сопротивления существенно уменьшает чувствительность. Еще одним недостатком металлических терморезисторов является низкое удельное сопротивление, что создает проблемы при их коммутации с измерительной аппаратурой, имеющей невысокое входное сопротивление.

В настоящее время находят широкое применение преобразователи температуры на монокристаллических полупроводниках с высокой надежностью [3], которые имеют следующие преимущества – более высокое удельное сопротивление, высокий температурный коэффициент сопротивления и устойчивость к окислению при росте температуры. Достаточно давно для измерения температуры применяются диоды, включенные в схему с обратной проводимостью. Такие приборы хорошо выполняют функцию преобразователя температуры, но в узком диапазоне. Возможно создание высокочувствительных ПИП температуры на основе транзисторов [4]. Значительные перспективы применения имеют полевые структуры металл – диэлектрик – полупроводник, на основе которых можно спроектировать ПИП температуры с малым потреблением энергии.

Известны ПИП температуры на полупроводниках [5 – 7], применяемые в космической технике, построенные на основе комплементарной структуры металл – диэлектрик – полупроводник (КМДП) – пары n- и p-канального транзисторов. Указанные ПИП температуры, представляющие собой КМДП-транзисторы, имеют относительно низкое потребление энергии. Следует отметить, что данные преобразователи работают в предпороговой области в режиме инверсии основных носителей заряда, напряжение питания которых составляет 0,8 В. Потребление энергии можно понизить уменьшением напряжения питания, применяя более совершенную структуру ПИП в предпочтительном режиме работы – обогащения основными носителями заряда.

Цель работы – создание первичного измерительного преобразователя температуры, имеющего следующие характеристики: низкое напряжение питания (важное для применения в летательных аппаратах); высокую чувствительность; малые массогабаритные размеры.

Модель, описывающая выходную характеристику разрабатываемого ПИП

Отличительной особенностью предлагаемого ПИП, сформированного на кремниевой подложке n-типа [8] (легированной донорной примесью), является работа в режиме обогащения основными носителями заряда – электронами. На затвор подается положительный потенциал, и созданное им поле формирует между истоком и стоком канал из электронов – основных носителей заряда (режим обогащения). Отличие от приведенных в работах [5 – 7] преобразователей – потенциал на затворе при работе в режиме обогащения не имеет порогового значения, следовательно, электропроводимость в канале существует при любом значении потенциала на затворе, самом малом, что значительно уменьшает потребление энергии. Принцип работы преобразователя температуры основан на термогенерации носителей заряда. С ростом температуры происходит ионизация примесных и собственных атомов полупроводника, отдающих электроны, что приводит к увеличению удельной электропроводности.

Для ПИП температуры разработана модель, описывающая выходную характеристику – зависимость тока стока  от температуры [9]

$I_D=\frac{Z}{L}{V}_{SD}{\mu }_n$$\left|\left[-V_G+\left(V_D+\frac{2kT}{e}\ln \frac{N_D}{B{T}^{3/2}\exp \left(-\frac{E_G\left(0\right)}{2kT}\right)}\right)\right]\frac{{\epsilon }_0{\epsilon }_i}{d}\right|$,

где I_D – ток стока ПИП, А; Z , L – ширина и длина канала ПИП соответственно, см; V_SD – напряжение между истоком и стоком, В;  – подвижность основных носителей заряда электронов; V_G , V_D – напряжения на затворе и стоке соответственно, В; k – постоянная Больцмана, Дж/K; T – температура, K; e – заряд электрона, Кл; N_D – концентрация донорных атомов, см^–2;  – абсолютная диэлектрическая проницаемость;  – относительная диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика, Ф/см; d – толщина подзатворного диэлектрика, см; E_G(0) = 1,17 эВ – ширина запрещенной зоны полупроводника, экстраполированная к T = 0 K.

Температурная зависимость концентрации собственных носителей заряда электронов [10]

$n_i\left(T\right)=B{T}^{3/2}\exp \left[-E_G\left(0\right)/\left(2kT\right)\right]$,

где В = 3,873 × 10¹⁶ K^–3/2×см^–3.

К решению технической задачи для достижения поставленной цели применен комплексный подход. Проведено исследование влияния каждого электрофизического параметра (потенциалов на затворе V_G и стоке V_D соответственно, концентрации примеси N_D) и конструкторско-топологических параметров (ширины Z и длины L канала, толщины подзатворного диэлектрика d) на требуемые характеристики. В результате получено достаточно низкое напряжение питания при высокой чувствительности.

Для определения электрофизических и конструкторско-топологических параметров ПИП температуры проведены необходимые расчеты, используя представленную модель. Для достижения цели снижения потребляемой энергии сделан расчет зависимостей влияния параметров ПИП температуры на напряжение питания.

 

Рис. 1. Зависимость тока стока I_D от температуры

 

Наиболее оптимальные с точки зрения экономии питающего напряжения при сохранении чувствительности характеристики изображены на рис. 1, где показано: зависимость 1 – для нелегированного кремния; потенциалы на затворе V_G и стоке V_D равны 0,001 и 0,006 В соответственно; толщина подзатворного диэлектрика d = 5Е–6 см; ширина канала Z = 0,05 см; длина канала L = 4Е–5 см; зависимость 2 – для нелегированного кремния; потенциал на затворе V_G = 0,001 В; потенциал на стоке V_D = 0,002 В; толщина подзатворного диэлектрика d = 5Е–6 см; ширина канала Z = 0,1 см; длина канала L = 4Е–5 см; зависимость 3 – для легированного кремния с концентрацией донорной примеси N_D = 10² см^–2; потенциал на затворе V_G = 0,003 В; потенциал на стоке V_D = 0,005 В; толщина подзатворного диэлектрика d = 5Е–6 см; ширина и длина канала соответственно Z = 0,1 см и L = 4Е–5 см.

При изменении потенциала на затворе V_G выходные характеристики незначительно отличаются между собой. При большем значении потенциала на затворе V_G уровень тока несколько выше, чем при меньшем, что объясняется увеличением концентрации носителей заряда под затвором. Согласно зависимости, в полупроводнике с ростом концентрации электронов n удельная электропроводимость s растет, соответственно растет и уровень тока

$\sigma =e\left(n{\mu }_n+p{\mu }_p\right)$,

где n, p – концентрации электронов и дырок соответственно; µ_n, µ_p  – подвижности электронов и дырок соответственно.

При уменьшении отношения напряжений на затворе и стоке V_G/V_D незначительно увеличивается крутизна выходной характеристики – чувствительность ПИП. Это объясняется тем, что устраняется шунтирующее действие потенциала на затворе. Электроны меньше рассеиваются на поверхности подложки под изолированным затвором и более направленно движутся в канале от истока к стоку. Для рассмотренных значений потенциала на затворе V_G выходные характеристики (зависимости тока стока от температуры) незначительно отличаются друг от друга. Следовательно, целесообразно на затвор подавать невысокий потенциал V_G = 0,001 В, который обеспечивает малое напряжение питания ПИП и не является пробивным напряжением тонкого подзатворного диэлектрика.

Важной характеристикой предлагаемого ПИП являются и конструктивно-топологические параметры – ширина канала Z = 0,1 см, длина канала L = 4Е–5 см. Габариты узкие. Малая площадь и узкий габарит обеспечивают значительный отвод тепла. Следовательно, ширина канала Z = 0,1 см является приемлемой и оптимальной, обеспечивает высокую чувствительность и преимущества в габаритах. Проектируемый преобразователь температуры выполнен в виде меандра (рис. 2).

 

Рис. 2. Микрофотография топологии лабораторного образца

 

Из результатов вышеприведенного исследования следует вывод, что наиболее оптимальными электрическими и конструкторско-топологическими параметрами ПИП являются потенциалы на затворе V_G = 0,001 В и стоке V_D = 0,005 В, толщина подзатворного диэлектрика d = 5Е–6 см, длина и ширина канала соответственно L = 4Е–5 и Z = 0,1 см.

Рассмотрим, как влияет примесь на требуемые к ПИП характеристики – низкое напряжение питания, высокую чувствительность, малые массогабаритные размеры, диапазон измерения и линейность.

В данном случае бо́льшую чувствительность при малом напряжении питания имеет зависимость с большей концентрацией примеси, но меньшей линейности. Меньшая линейность объясняется тем, что при повышении температуры сначала ионизируются примесные атомы и собственные – характеристика более круто возрастает, затем, когда все примесные атомы отдали лишние электроны, ионизируются только собственные – крутизна характеристики уменьшается. Наблюдается плавный перелом значения функции в зависимости тока от температуры, который делит характеристику на два более линейных диапазона измерения температуры. При значительной концентрации примеси чувствительность будет уменьшаться, так как при большой концентрации свободных носителей заряда их подвижность, от которой зависит удельная электропроводимость полупроводника, уменьшается в результате увеличения рассеивания на примесных атомах. При большой концентрации примеси полупроводник может превратиться в вырожденный, который имеет металлический характер проводимости, то есть уменьшение проводимости с ростом температуры. В результате проведенных исследований оптимальным легированием является концентрация примеси N_D = 10² см^–2, которая обеспечивает чувствительность 30 нA/°С и малое потребление напряжения питания V_D = 0,005 В.

После анализа полученных характеристик разрабатываемого ПИП определялись усредненные параметры. Выходная характеристика показана на рис. 3, где концентрация донорной примеси N_D = 10² см^–2; потенциалы на затворе V_G и стоке V_D равны 0,001 и 0,005 В соответственно; толщина подзатворного диэлектрика d = 5Е–6 см; ширина и длина канала соответственно Z = 0,1 см и L = 4Е–5 см.

 

Рис. 3. Зависимость тока стока I_D от температуры для легированного кремния

 

Чувствительность такой характеристики достаточно высокая – 30 нA/°С при малом потреблении энергии (больше, чем в рассматриваемых ранее приборах для измерения температуры, которая составляет 0,024 нA/°C).

Понижение энергопотребления ПИП достигается учетом большего числа электрофизических и конструкторско-топологических параметров преобразователя в математическом выражении выходной характеристики и применением режима работы не в режиме инверсии, а обогащением основными носителями заряда. Режим обогащения не требует подачи порогового напряжения, что приводит преобразователь в рабочее состояние при любом потенциале на затворе. Потребление энергии разрабатываемого преобразователя температуры регулируется электрофизическими и конструкторско-топологическими параметрами, входящими в зависимость, описывающую выходную характеристику, такими как: потенциалы на затворе и стоке, концентрация примеси, ширина и длина канала, толщина подзатворного диэлектрика.

Для эксперимента изготовлен опытный образец с оптимальными параметрами: длина и ширина канала L = 4Е–5 см и Z = 0,1 см соответственно, толщина подзатворного диэлектрика d = 5Е–6 см, при потенциале на затворе V_G = 0,001 В и на стоке V_D = 0,005 В, концентрация донорной примеси N_D = 10² см^–2. При изготовлении опытного образца ПИП подзатворный диэлектрик формировался только в сухом кислороде без использования паров воды в целях получения очень тонкого и качественного оксида кремния. На рисунке 4 представлены экспериментальная выходная характеристика – зависимость выходного тока от температуры, и рассчитанная.

 

Рис. 4. Рассчитанная 1 и экспериментальная 2 зависимости тока стока I_D от температуры

 

Эксперимент показал, что чувствительность ПИП составляет (28…30) нA/°С, которая является высокой среди преобразователей такого класса, линейность удовлетворяет требованиям при малом потреблении напряжения V_D в интервале 0,005…0,006 В. Максимальное различие выходных характеристик, рассчитанной теоретически и полученной экспериментально, составляет не более 5 – 6 %.

Спроектированный ПИП потребляет мало энергии, что очень важно при использовании в авиационной технике. Потенциал подается на затвор ПИП V_G = 0,001…0,0015, напряжение питания на стоке V_D = 0,005…0,006 В, что позволяет уменьшить потребление энергии, которое важно для использования ПИП в авиационной технике с ограничением источников питания, и может увеличить срок службы. К преимуществу перед преобразователем на КМДП-транзисторах следует отнести и тот факт, что проектирумый ПИП используется в виде одной ячейки, в то время как на КМДП – четыре ячейки. Это позволяет уменьшить потребление энергии в 4 – 5 раз.

Структура разработанного ПИП с топологическими размерами представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Структура разработанного ПИП температуры: Al – алюминиевые контакты; SiO₂ – оксид кремния; n – тип проводимости (электронный)

 

Заключение

Проведенный анализ показал, что металлические преобразователи имеют малый температурный коэффициент сопротивления, следовательно, малую чувствительность и точность измерения; низкое удельное сопротивление, которое создает проблемы при их коммутации с измерительной аппаратурой, имеющей невысокое входное сопротивление.

Разработана математическая модель, описывающая зависимость выходного тока от температуры ПИП на основе МДП-структуры, позволяющая определить оптимальные значения электрофизических и конструкторско-топологических параметров, обеспечивающих высокую чувствительность и, как следствие, точность измерения температуры. Предложен режим работы разработанного ПИП температуры при обогащении основными носителями заряда в подзатворной области МДП-структуры, который существенно уменьшает (в 4–5 раз) потребление энергии по сравнению с потреблением известными ПИП температуры на основе КМДП-структуры, работающими в режиме инверсии в предпороговой области.

Из вышесказанного следует, что разработанный ПИП температуры найдет широкое применение в авиационной технике.

About the authors

V. N. Chernyshov

TSTU

Email: korolevanpal@yandex.ru

Department Criminal Law and Applied Informatics in Jurisprudence

Russian Federation, Tambov

A. P. Korolev

TSTU

Author for correspondence.
Email: korolevanpal@yandex.ru

Department Materials and Technology

Russian Federation, Tambov

References

Supplementary files