Термочувствительная интегральная схема

(71) Заявитель Открытое акционерное общество МНИПИ (ВУ)(72) Авторы Дворников Олег Владимирович Муравьев Борис Дмитриевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество МНИПИ (ВУ)Термочувствительная интегральная схема, содержащая ТЕПЛОИЗОЛИРУЪОЩУЪО ПОДЛОЖКу,на КОТОРОЙ расположены ДВа ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ кристалла, каждый ИЗ КОТОРЫХ СОДЕРЖИТ датчик ТЕМПЕРаТуРЫ, ВЬ 1 ПОЛНЕННЬ 1 Й В ВИДЕ бИПОЛЯРНОГО ТРЗНЗИСТОРЗ, ОКРуЖЕННЫЙ наГРЕВаТЕЛЬНЫМ РЕЗИСТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ, ОТЛИЧЗЮЩЗЯСЯ ТЕМ, ЧТО бИПОЛЯРНЫЙ транзистор ВЫПОЛНЕН С ЦЕНТРаЛЬНО РаСПОЛОЖЕННЫМ КОЛЛЕКТОРНЬ 1 М контактом И, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ,ЧЕТЫРЬМЯ СОЕДИНЕННЬ 1 МИ МЕЖДУ СОбОЙ ЭМИТТЕРНЫМИ И базовыми областями, ПРИЧЕМ ЭМИТТЕРНЬ 1 Е области РаСПОЛОЖЕНЫ ПО ПЕРИфЕРИИ транзистора Максимально бЛИЗКО К нагревателЬноМу РЕЗИСТИВНОМУ ЭЛЕМЕНТУ И СИММЕТРИЧНО ОТНОСИТЕЛЬНО ДВУХ взаимно ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ ОСЕЙ, ПРОВЕДЕННЬ 1 Х ЧЕРЕЗ ЦЕНТР КОЛЛЕКТОРНОГО контакта, а ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ кристаллы расположены зеркально СИММЕТРИЧНО ОТНОСИТЕЛЬНО ОДНОЙ ИЗ СВОИХ СТОРОН И ВЫПОЛНЕНЫ С визуально различимыми ЭЛЕМЕНТаМИ.Настоящее изобретение относится К термочувствительнь 1 м интегральным схемам(ИС), в частности К дифференциальным термоэлектрическим преобразователям (ДТЭП),используемым в широкополосных преобразователях переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения.ДТЭП содержат два идентичных термоэлектрических блока (ТЭБ), каждый из которых включает нагревательный элемент, связанный тепловой связью с датчиком температуры. Основными требованиями, предъявляемыми к ДТЭП, являются высокая эффективность преобразования сигнал нагревательного элемента - тепло - сигнал датчика температуры,определяющая коэффициент термоэлектрического преобразования входной мощности в выходное напряжение, идентичность электрических и тепловых характеристик ТЭБ, хорощая теплоизоляция одного ТЭБ от другого, технологичность изготовления.Известна термочувствительная полупроводниковая ИС, содержащая полупроводниковую рамку и два полупроводниковых кристалла, каждый из которых включает нагревательный резистивный элемент и датчик температуры в виде биполярного транзистора,причем между кристаллами и между кристаллами и рамкой имеется воздушный зазор, а межсоединения нагревательного резистивного элемента и биполярного транзистора удерживают кристаллы внутри рамки 1.Преимуществом ИС является высокая идентичность электрических и тепловых характеристик ТЭБ, хорощая теплоизоляция одного кристалла от другого.Недостатком известного технического рещения 1 является то, что взаимное расположение полупроводниковых областей нагревательного элемента и датчика температуры не обеспечивает максимальный коэффициент термоэлектрического преобразования входной мощности в выходное напряжение.Наиболее близкой к заявляемому рещению является термочувствительная ИС, содержащая теплоизолирующую подложку, на которой расположены два полупроводниковых кристалла, каждый из которых включает датчик температуры в виде биполярного транзистора, окруженный нагревательным резистивным элементом 2.Данная ИС технологична, применение отдельной полупроводниковой области для электрической изоляции элементов ИС друг от друга значительно улучщает частотные свойства.Недостатками известного технического рещения 2 являются невысокий коэффициент термоэлектрического преобразования входной мощности в выходное напряжение и низкая идентичность электрических и тепловых характеристик термочувствительных кристаллов.Задачей настоящего изобретения является увеличение коэффициента термоэлектрического преобразования входной мощности в выходное напряжение и идентичности электрических и тепловых характеристик нагревательных элементов и датчиков температуры.Настоящая задача рещается за счет того, что в термочувствительной интегральной схеме, содержащей теплоизолирующую подложку, на которой расположены два полупроводниковых кристалла, каждый из которых содержит датчик температуры, выполненный в виде биполярного транзистора, окруженный нагревательным резистивным элементом, в соответствии с настоящим изобретением, биполярный транзистор выполнен с центрально расположенным коллекторным контактом и, по меньщей мере, четырьмя соединенными между собой эмиттерными и базовыми областями, причем эмиттерные области расположены по периферии транзистора максимально близко к нагревательному резистивному элементу и симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных осей, проведенных через центр коллекторного контакта, а полупроводниковые кристаллы расположены зеркально симметрично относительно одной из своих сторон и выполнены с визуально различимыми элементами.Сущность изобретения поясняет рисунок 1, на котором изображена термочувствительная ИС, и рисунок 2, на котором изображен отдельный полупроводниковый кристалл.На теплоизолирующей подложке 1 зеркально симметрично относительно оси ХХ расположены два полупроводниковых кристалла 2 и 3, каждый из которых обозначен визуально различимым элементом - номером 1191, Не 2, сформированным на поверхности кристалла, например, при помощи металлизированных межсоединений. В каждом кристалле сформирован биполярный транзистор 4, нагревательный резистивный элемент 5. Транзистор имеет Центрально расположенный коллекторный контакт 6, эмиттерные 7 и базовые 8 области. Эмиттерные области расположены по периферии транзистора максимально близко к нагревательному элементу симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных осей УУ, 22. Эмиттерные, базовые области биполярного транзистора и нагревательный резистивный элемент имеют контакты 9, 10, 11 соответственно и металлизированные межсоединения 12, соединяющие области с контактными площадками 13. Дополнительно на кристалле может быть сформирована контактная площадка 14, контактирующая с полупроводниковой подложкой, и, в случае полупроводникового нагревательного резистивного элемента, контактная площадка 15, соединенная металлизированным межсоединением с контактом 16 к изолированному карману 17, в котором расположен полупроводниковый нагревательный резистивный элемент.В настоящем изобретении нагревательный резистивный элемент расположен максимально близко к датчику температуры (биполярному транзистору) и окружает его, при этом термочувствительные эмиттерные области расположены по периферии транзистора,поэтому температурное изменение их электрических параметров более значительно, чем для Центральных областей транзистора. С другой стороны, биполярный транзистор имеет не менее четырех соединенных между собой эмиттерных областей. В этом случае термочувствительные эмиттернь 1 е области сформированы вдоль всего нагревательного элемента и максимально используют рассеиваемое им тепло. Симметричное расположение эмиттерных областей относительно двух взаимно перпендикулярных осей, проведенных через Центр коллекторного контакта, позволяет усреднить электрические и тепловые характеристики эмиттерных областей биполярного транзистора и тем самым увеличить идентичность электрических и тепловых характеристик эмиттерных переходов, расположенных на одной полупроводниковой пластине биполярных транзисторов, используемых в качестве датчиков температуры. Т.к. в качестве термоэлектрического преобразования в резистивнотранзисторных ТЭБ используется температурное изменение прямого падения напряжения на эмиттерном переходе биполярного транзистора, то все отмеченные конструктивные особенности приводят к увеличению коэффициента термоэлектрического преобразования входной мощности в выходное напряжение и идентичности электрических характеристик датчиков температуры (биполярных транзисторов) и нагревательных резистивных элементов.Для увеличения идентичности тепловых характеристик ИС полупроводниковые кристаллы должны быть симметрично размещены на теплоизолирующей подложке. Сделать это можно только в том случае, если ТЭБ симметрично сформированы на полупроводниковой пластине, а затем после разделения пластины выбраны нужные кристаллы, что достигается при наличии на кристаллах визуально различимых элементов, например, если кристаллы имеют номера, сформированные на поверхности при помощи металлизированных межсоединений.Термочувствительная интегральная схема в преобразователях переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения работает следующим образом. Входной сигнал подают на один нагревательный элемент, а эталонное напряжение постоянного тока - на другой. Напряжение постоянного тока на выходе каждого датчика температуры пропорционально подводимой к соответствующим нагревательным элементам мощности. Если ТЭБ идентичны по электрическим и тепловым характеристикам, то при равенстве выходных напряжений датчиков температуры мощности на нагревательных элементах одинаковы, и, следовательно, входной сигнал и эталонное напряжение постоянного тока равны по среднеквадратическому значению.Пример конкретной реализации изобретения. На полупроводниковой подложке р-типа проводимости (КДБ 10) толщиной 460 МКМ, диаметром 100 мм, удельным сопротивлением 10 Ом-см и ориентацией (100) были сформированы п-скрь 1 ть 1 й слой с глубиной залегания х (2,5 1 0,5) мкм и сопротивлением слоя Кз (35 1 5) Ом/квадрат и р-скрь 1 ть 1 й слой с х (1,95 1 0,29) мкм, 115 (110 1 32) Ом/квадрат, выращен эпитаксиальный слой п-типа проводимости толщиной (8 1 1) мкм и удельным сопротивлением (1,5 10,18) Ом-см. В эпитаксиальном слое разделительной диффузией с Кз (4 1 2) Ом/квадрат сформированы изолирующие области р-типа проводимости, смыкающиеся с полупроводниковой подложкой и образующие изолированную область п-типа проводимости. В ней сформированы базовая область р-типа проводимости с х (2,4 1 0,2) мкм, 115 (200 1 16) Ом/квадрат и эмиттерная область п-типа проводимости с х ( 1,7 1 0,2) мкм, Кз (5 1 1) Ом/квадрат. На основе указанных областей были сформированы п-р-п-транзистор и нагревательный резистивный элемент на п-эмиттерной области. Размер одного кристалла с нагревательным элементом и датчиком температуры составлял (0,75-0,65) мм. Два кристалла были размещены на теплоизолирующей текстолитовой подложке толщиной 0,6 мкм в корпусе Н 04.16-2 В.Сравнение основных характеристик настоящего изобретения с зарубежными аналогами (ЬТ 1088, ВВ 4130) выявило значительно лучщую идентичность электрических характеристик нагревательных элементов и датчиков температуры, и почти в 2 раза больщий коэффициент термоэлектрического преобразования.Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.