Полупроводниковый датчик давления

ОПИСАНИЬ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ (1)549053

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ (61) Дополнителыное к авт. твид-ву— (22) Заявлено 29.10.75 (21) 2181801/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Пр:иоритет— (43) Опубликовано 30.01.79. Бюллетень № 4 (45) Дата опубликования описания 11,03.79 (51) М.Кл Н 01 L 29/84

//Н 01 С 10/10

// G 011 9/04

Государственный комитет (53) УДК 621.382 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

И. К. Бронштейн, Е. М. Кистова, О. Е. Коробов, Н. И. Лукичева, В. Н. Маслов, В. П. Мясоедов, Ю. В. Сокуренко, Е. В. Синицын и Е. С. Юрова

Государственный ордена Октябрьской Революции научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредметл (71) Заявитель (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

1 2

Изобретение относится к классу измерительных полупроводниковых приборов, используемых, в частности, при измерении гидростатического давления.

Известно, что полупроводники с малой, шириной запрещенной зоны, например InSb, и полупроводники со сложной зонной структурой, например GaSb, Ga> „AsA1„, GaAst,Р,. могут изменять свое сопротивление при гидростатическом давлении.

Известный полупроводниковый датчик давления на основе GaSb имеет коэффициент чувствительности 10 бар —, температурный коэффициент чувствительности — 0,5% . град (il). Недостатком такого датчика является ограниченный диапазон давлений (до 10 кбар) и температур (— 200 — 40 С), низкая чувствительность к давлению и значительное изменение коэффициента чувствительности в зависимости от тем пер а тур ы.

Также известен полупроводниковый датчик давления, содержащий полуизолирующую подложку и нанесенный на нее чувствительный элемент на основе твердого раствора, например GaAsi „P„., где х (0,40, выполненный в виде параллелепипеда с двумя контактами (2).

Согласно приведенным экспериментальным зависимостям коэффициента чувствительности от состава для трех температур:

+ 25 С; — 27 С и +90 С, чувствительность к давлению в датчиках изменяется, например, для баАзовзРо,зз от 3 . 10 — 4 бар — при

5 — 27 С до 2,5 . 10-4 бар- при 50 С (почти на 20%), для GaAso.65Ð04î от 3,6. 10 4 бар при 25 С до 2 . 10-4 бар- при 90 С (почти на 100%).

Недостатком таких датчиков на

GaAs P является недостаточная температурная стабильность коэффициента чувствительности к давлению.

Цель изобретения — повышение температурной стабильности коэффициента чувствительности к давлению.

Цель достигается тем, что чувствительный элемент полупроводникового датчика давления на основе твердого раствора

GaAs> Р„представляет собой структуру, состоящую по крайней мере из двух типов периодически чередующихся в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, слоев GaAs> Р„, при 0,20(х(0,40, легированных мелкой донорной примесью до

25 концентрации (2 — 7) . 10 8 см 3 причем в соседних слоях значения х отличаются на

0,02 — 0,08, а отношение толщин соседних слоев лежит в пределах от 1 до 10.

На чертеже изображен общий вид устзо рой ства.

549053

5 = (бар ), ЬУ

БОР

) где Ров

65

Датчик давления представляет собой параллелепипед, состоящий из полуизолирующей подложки 1, выполненной, например, из арсенида галлия, легированного хромом. периодически чередующихся слоев 2 и 8

GaAs> „Р,, значения х в которых составляют, например 0,21, и 0,26, с нанесенными на верхний слой металлическими контактами 4 и б из сплава индия и олова. Выводными электродами б и 7 служит золотой проводник диаметром 50 — 70 мкм. Размеры полупроводникового элемента составляют 7Х

ХО,ЗХ0,3 лмз, а начальное сопротивление датч и ка о кол о 1 кОм.

Чувствительный элемент датчика изготавливался одним из известных способов.

В качестве донорной примеси были использованы элементы VI группы Периодической системы элементов, в частности селен и теллур.

Чувствительность к давлению периодической структуры определяется величинами коэффициентов чувствительности каждого слоя 2 и 8 и соотношением их толщин и проводимостей согласно следующей формуле

S, + S,À — „ + S,SËP+ S,S A — ЬР

1+А — + S Ð+ S» А — . иР 7 где Si — чувствительность слоя состава х, S> — чувствительность слоя состава, x+ihx, А — отношение проводимостей слоев, Иц 1 — толщины слоев.

Коэффициент чувствительности к давлению предлагаемого датчика составляет

1,3 10 4бар . Вариации коэффициента чувствительности определяются формулой

8 - 100 ср (n 1) где S,ð — среднее значение коэффициента чувствительности в диапазоне температур — 78 +130 С;

S — значение коэффициента чувствительности для температуры

Т„;

n — число различных температур точек опытов, например, равное

14. Результирующая вариация коэффициента чувствительности не превышает 8,5%.

Полупроводниковый датчик давления помещается в камеру давления. Электрическая схема измерения работает в режиме генератора тока. При приложении гидростатического давления сопротивление датчика растет, соответствующий рост падения напряжения регистрируется цифровым вольт15

60 метром. Чувствительность датчика к давле-. нию определяется выражением. падение напряжения на датчике без давления; приращение напряжения при давлении P.

Датчик давления из периодически чередующихся слоев 2 и 8 GaAs «Р„предназначен для измерения давления в диапазоне 10 †200 атм. При измерении давления в десятки атмосфер следует использовать периодическую структуру, в которой значение х лежит в пределах 0,34 — 0,38, для измерения больших давлений — «структуру» с х = 0,20 — 0,30. Чувствительность к давлению при этом составляет (4 — 1) 10-4 бар —, а вариации коэффициента чувствительности в диапазоне температур от — 70 С до

+130 С не превышают 10%.

Предлагаемый датчик давления имеет несомненные преимущества по сравнению с известным из GaSb: расширен диапазон измеряемых температур до +130 С; повышена термостабильность коэффициента чувствительности и его абсолютная величина. По сравнению с датчиком давления из кристаллов GaAs, Р„, у которых изменение коэффициента чувствительности к давлению в диапазоне температур от — 27 до

+90 С составляет 20 †10, значительно улучшена температурная стабильность коэффициента чувствительности, вариации коэффициента чувствительности к давлению в диапазоне температур от — 70 до -+-130 С не превышают 10 .

Ф ор мула изо бр етения

1. Полупроводниковый датчик давления, содержащий полуизолирующую подложку и нанесенный на нее чувствительный элемент на основе твердого раствора, например GaAsi, P, где х(0,40, выполненный в виде параллелепипеда с двумя контактами, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности коэффициента чувствительности к давлению, чувствительный элемент представляет собой структуру, состоящую по крайней мере из двух типов периодически чередующихся в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, слоев GaAs> «Р„, при

0,20 (х (0,40, легированных мелкой донорной примесью до концентрации (2—

7) 10" см-, причем в соседних слоях значения х отличаются на 0,02 — 0,08.

2. Датчик давления по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что отношение толщин соседних слоев лежит в пределах от 1 до 10.

549053

Источники информации, внимание при экспертизе: принятые во

Составитель А. Прохорова

Техред Н. Строганова

Редактор Е. Месропова

Корректор С. Файн

Заказ 1145/85 Изд. № 118 Тираж 922 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, )К-35, Раушская наб., д. 4/5

Тнп. Харьк. фил. пред. «Патент»

1. Sagar. А, Experimental investagation

of condicition band of Gasb «Physical

Revien», 1960, т. 117, № 1, с. 93 — 100.

2. Патент США № 3270562, кл. 73-398, 1966.