автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Основы создания и применения полупроводниковых элементов и микроэлектронных устройств интегральной теплоэлектроники

На правах рукописи

ГРОМОВ Вячеслав Сергеевич

ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ

ТЕПЛОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность:

05.27.06 - технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.

Москва - 2006

Работа выполнена в ОАО ЦНИИ "Циклон"

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кофанов Ю. Н.,

доктор технических наук, профессор Лавришев В. П., доктор технических наук, доцент Жуков А. А,

Ведущая организация: ФГУП НИИ Точных Приборов, г.Москва

Защита состоится 2 ¡5" мая 2006г в 14— на заседании Специализированного совета 0212.110.01 при МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского по адресу: Москва 109240, Берниковская наб., 14, "МАТИ" - РГТУ им. К. Э. Циолковского, ауд. 602.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке "МАТИ" - РГТУ им. К. Э. Циолковского.

Автореферат разослан "2^" Я М-р ¿ЛЛ/ 2006г

Учёный секретарь Специализированного совета К.Т.Н., профессор

Баранов П. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современный этап развития микроэлектронных схем и устройств характеризуется значительным ростом уровня интеграции компонентов в них и расширением их функций при одновременном снижении массогабаритных характеристик.

Однако дальнейшее повышение уровня интеграции в микросхемах ограничивается проблемами отвода тепла от микроструктур, явлением электромиграции в плёночных проводниках и другими физическими факторами. Снижение влияния перечисленных выше факторов, как показывают исследования и разработки последних лет в области микроэлектроники, возможно путём развития и реализации направлений функциональной электроники: оптоэлектроники, теплоэлектроники, магнитоэлектроники, акустоэлектроники, криогенной электроники, молекулярной электроники. Для функциональной электроники характерно непосредственное использование известных физических явлений в твёрдом теле и их взаимодействия.

Теплоэлектроника, проблемам развития которой посвящена данная работа, характеризуется взаимодействием электрических и тепловых процессов в твёрдом теле. Основой теплоэлектроники является замена электрических связей в тради-ционных электрических цепях на тепловые.

Так как теплоэлектрические процессы присутствуют в любой интегральной микросхеме при рассеянии в ней электрической мощности, то реализация тепловых связей, как случайных, так и упорядоченных, в полупроводниковой структуре с р-п - переходами базируется на хорошо развитых технологиях изготовления интегральных микросхем и на их схемотехнических решениях.

Сформированная между двумя элементами микросхемы тепловая связь позволяет обеспечить их полную электрическую развязку, не нарушая информационной связи между ними. Аналогичный эффект достигается использованием в микроэлектронных устройствах элементов оптоэлектроники -оптронов. Кроме того, тепловые процессы, в отличие от электрических, более инерционны, что позволяет использовать простой метод реализации больших постоянных времени в физически малых объёмах для построения преобразователей с линейно нарастающим сигналом на частотах менее 100 Гц.

Использование тепловых связей, формируемых, в соответствии со схемотехническими решениями, известными методами интегральной технологии в микросхемах, открывает перспективу расширения их функциональных возможностей, а значит позволяет снизить их массогабаритные характеристики. Однако систематические данные по использованию тепловых связей в интегральных микросхемах отсутствуют, что затрудняет разработку эффективных теплоэлектрических преобразователей и практическую их реализацию.

На момент выполнения данной работы не существовало теплоэлектроники, как самостоятельного направления микроэлектроники, из-за отсутствия её основы - базового теплоэлектрического преобразователя - "теплотрона". Поэтому создание теплотрона, а на его основе приборов и устройств с тепловой связью, обеспечивающих практическую реализацию теплоэлектроники, является актуальной научной проблемой, имеющей практическую значимость.

Цель диссертации - разработка научных основ создания и применения полупроводниковых интегральных устройств с тепловой связью, обеспечивающих практическую реализацию и ■ функционирование теплоэлектроники.

Задачи исследований и разработок.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. На основании систематических исследований процессов выделения и распространения тепла в полупроводниковом кристалле с р-п - переходами разработать схемотехнические основы формирования твёрдотельных преобразователей электрической мощности в тепловую и тепловой мощности в электрическую.

2. Создать базовый твёрдотельный теплоэлектрический преобразователь -теплотрон и разработать на его основе схемы и устройства теплоэлектроники (усилители, генераторы, источники напряжения, датчики физических величин и т.п.).

3. Практически реализовать и оценить функционирование полупроводниковых элементов и микроэлектронных устройств интегральной теплоэлектроники.

В работе развивается новое функциональное направление микроэлектроники - теплоэлектроника, элементы и устройства которой конструируются на основе полупроводниковых структур с р-п -переходами, выполняемых методами интеграль-ной технологии. Рассматривается область практической реализации элементов и устройств теплоэлектроники, связанная с созданием и внедрением электронных систем диагностирования объектов.

В этой связи тема и задачи диссертации являлись составной частью как отраслевых работ, проводимых, например, в соответствии с Указом Министерства электронной промышленности (МЭП) о внедрении диагностических методов контроля качества изделий от 30. 10. 1990 года, № У-344, так и договорных работ.

Научная новизна работы

1. Разработаны теоретические основы создания электронных приборов и устройств с тепловой связью с использованием микроминиатюрных транзисторных структур, выполненных по интегральной технологии.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые виды теплоэлектрических преобразователей - теплотроны, и изучены их функциональные характеристики.

2. В результате теоретических и экспериментальных исследований процессов выделения тепла в полупроводниковых структурах с р-п -переходами в режимах, соответствующих режимам работы микросхем, установлено, что кроме основного источника тепла, создаваемого внешним напряжением смещения, появляются дополнительные источники тепла при протекании тока через объём полупроводника, обусловленные генерационно-рекомбинационными процессами в структуре. С учётом особенностей выделения тепла в р-п -переходах при прохождении через них тока установлена модель замещения электрических связей на тепловые в интегральных схемах, выполняемых методами традиционной технологии, и разработаны схемотехнические решения теплотронов, пригодных для работы в составе микросхем.

3. Установлено, что практическая реализация физических основ и схемотехнических решений теплотрона в современной микроэлектронике не имеет конструктивных и технологических проблем, и что для выполнения функций теплотрона пригодны серийно выпускаемые промышленностью полупроводниковые приборы и микросхемы, такие как транзисторы типа КТ118, микросхемы серии 119, 159, 162,192,198.

4. Установлена возможность создания на базе серийно выпускаемых промышленностью приборов и микросхем твёрдотельных усилителей с электрической развязкой входной цепи от выходной и с линейным уравнением

преобразования, микроминиатюрных генераторов с прямоугольной и пилообразной формой импульсов в диапазоне частот от десятков до долей герца и прецизионных источников опорного напряжения, не имеющих аналогов среди приборов, выполненных широко используемыми методами построения полупроводниковых электронных устройств.

5. Разработаны теоретические основы выполнения многофункционального электронного прибора в твёрдотельном исполнении (для контроля температуры, давления, освещённости) с использованием интегральных транзисторных структур с тепловой связью и нового чувствительного параметра транзисторной структуры - "плавающего потенциала" на коллекторе при условии протекания через переход эмиттер-база постоянного по величине тока, что позволяет обеспечить необходимую линеиность преобразовательных характеристик электронного прибора в практически реализуемых диапазонах контроля физических величин.

Прастическая значимость.

1. Разработаны методы и аппаратура для высокоточных измерений локальной температуры в полупроводниковых приборах и микросхемах, при рассеянии в них электрической мощности с использованием входного сопротивления транзистора, включённого по схеме с общей базой, в качестве термочувствительного параметра. Разработанный метод внедрён на предприятии ФГУП НГТП "Пульсар" для конт-роля качества выпускаемой продукции. В диссертационной работе метод применён для изучения процессов выделения тепла в полупроводниковых структурах с р-п -переходами с целью выбора и обоснования оптимального схемотехнического решения для твёрдотельного преобразователя электрической мощности в тепловую.

2. Разработано транзисторное устройство для измерения температуры окружающей среды с использованием в качестве термочувствительного

параметра "плавающего потенциала" на коллекторе при протекании постоянного по величине прямого тока через переход эмиттер-база (А.с. 361398). По сравнению с известным термочувствительным параметром, прямым падением напряжения на р-п -переходе, плавающий потенциал имеет более широкий диапазон измеряемых температур (не менее, чем в 2 раза) и более высокую чувствительность (не менее, чем в 1,5 раза). Разработанное устройство было внедрено в качестве датчика температуры на предприятиях ЗАО ИТЦ "Циклон" и ООО "НПА Вира Реалтайм" в системах диагностирования для оценки теплового состояния разрабатываемой аппаратуры. В работе данное устройство было использовано для выбора и обоснования схемотехнического решения и электрического режима для преобразователя тепловой мощности в электрическую.

3. На основе микросхем серии 159 и с учётом схемотехнических решений для преобразователей электрической мощности в тепловую и тепловой мощности в электрическую разработан твёрдотельный вариант теплотрона с линейностью уравнения преобразования в диапазоне температур от 0°С до плюс 100°С не хуже ±0,1%.

4. На основе схемотехнических решений теплотрона разработаны практические схемы усилителей с тепловой развязкой потенциалов, генераторов на частоты ниже 100 Гц, источников опорного напряжения с температурной стабилизацией не хуже 10"5 в/град., дискретных датчиков температуры, давления, освещённости, а также многофункционального твёрдотельного электронного прибора для контроля температуры, давления, освещённости с линейными характеристиками преобразования

(Пат. РФ № 20488028).

Усилители с тепловой развязкой потенциалов и датчики внедрены на предприятии ЗАО "Эмикон" в системах диагностирования эксплуатируемой аппаратуры.

5. Целесообразность практического использования в системах диагностирования полученных решений подтверждена Указанием МЭП от 30.10.1990 года, №У-344, в котором отмечается, что общий экономический эффект, полученный от внедрения систем диагностирования рядом предприятий, составил 5 миллионов 240 тысяч руб. (в ценах 1990 года).

Практическая значимость подтверждена актами внедрения и использования результатов работы в ОАО ЦНИИ "Циклон", ЗАО ИТЦ "Циклон", ООО "НПА Вира Реалтайм", ЗАО "Эмикон", ФГУП НПП "Пульсар".

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на IX межотраслевом научно-техническом совещании "Организация работ в отраслях по обеспечению качества и надёжности перспективной аппаратуры связи, БРЭА и ИЭТ" (1990 г., Одесса), Международных научно-технических конференциях "Системные проблемы качества, надёжности, математического моделирования, информационных и электронных технологий" (2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 г.г., Сочи).

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 40 работах. Список работ, изложенных в конце автореферата, включает 2 монографии, 5 авторских свидетельств и 2 патента РФ.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников и содержит 277 страниц основного текста, в том числе 101 рисунок и 11 таблиц. Список использованных источников содержит 102 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Научные основы создания и применения теплоэлектроники, как функционального направления микроэлектроники.

1.1 Закономерности взаимодействия электрических и тепловых процессов в полупроводниковых структурах с р-п -переходами.

1.2 Теоретические основы выполнения электронных приборов и устройств с тепловой связью методами интегральной технологии.

1.3 Модель замещения электрических связей на тепловые в интегральных микросхемах, выполняемых методами традиционной технологии.

2. Методы создания базового преобразовательного элемента теплоэлектроники - теплотрона, на основе серийно выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборов и микросхем, включающие выбор и обоснование элементов теплотрона, схемотехнических решений и режимов их работы.

3. Принципы построения приборов и устройств теплоэлектроники (преобразователей, усилителей, генераторов, источников напряжения, датчиков с заданными характеристиками преобразования) на основе схемотехнических решений теплотрона и его элементов.

4. Способы применения приборов и устройств теплоэлектроники для получения высокоинформативных и безопасных систем диагностирования в промышленности и народном хозяйстве.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении рассмотрен предмет исследований, обоснована актуальность работы, сформулирована научная проблема и определены пути её решения.

В первой главе представлен анализ основных известных разработок приборов, в которых используется тепловая связь между отдельными их

элементами. Показано, что выполненные по результатам этих разработок полупроводниковые устройства с тепловой связью являются побочным продуктом развития электроники и возникали как результаты либо поисковых работ, либо работ по совершенствованию известных конструкций. Разработка полупроводниковых терморезисторов с косвенным подогревом явилась одним из первых примеров полезного использования тепловой связи в элементах электроники. Терморезистор с косвенным подогревом можно рассматривать как электронный прибор с тепловой связью, состоящий из трех основных элементов: преобразователь электрической мощности в тепловую (нагреватель), теплопередающий элемент и преобразователь тепловой мощности в электрическую (датчик температуры). Сравнительный анализ показал, что структурная схема терморезистора с косвенным подогревом подобна структурной схеме оптрона и имеет вид, показанный на рис.1. Изучение тепловой связи в тсрморезисторах с косвенным подогревом позволило установить перечень параметров и характеристик, определяющих процессы преобразования электрического потока в тепловой и теплового в электрический, а также особенности передачи тепла в заданном направлении.

Рис. 1. Конструкция теплоэлектрического преобразователя на основе терморезистора с косвенным подогревом (а) и его структурная схема (б). 1 - управляющий элемент; 2 - теплопередающий элемент; 3 - управляемый

элемент;

4,5 - источники питания преобразователей.

В диссертационной работе исследовано поведение эксплуатационных характеристик элементов полупроводниковых терморезисторов с косвенным подогревом (нагревателя, теплопередающего элемента и термочувствительного элемента) в зависимости от их конструкции и технологии изготовления.

Передаточную характеристику теплоэлектрического преобразователя на основе терморезистора с косвенным подогревом можно представить состоящей из двух частей - передаточной характеристики нагревателя и передаточной характеристики датчика температуры. Передаточная характеристика нагревателя определяет перегрев преобразователя, обусловленный входной электрической мощностью: ДТ = 11н- Ит>

где ДТ - перегрев преобразователя, град; Ян - сопротивление нагревателя, Ом; / - входной ток преобразователя, мА; /?г - тепловое сопротивление промежутка нагреватель - окружающая среда преобразователя, град/мВт. ' Передаточная характеристика датчика температуры определяет зависимость сопротивления термочувствительного элемента (ТЭ) от температуры: /ггэ(7'). Эту зависимость хорошо аппроксимирует аналитическое выражение

где А, В - константы, определяемые свойствами полупроводникового материала, из которого изготовлен ТЭ, и его конструкцией. В результате разработан интегральный вариант терморезистора с косвенным подогревом, содержащий пленочный резистивный нагреватель и монокристаллический термочувствительный элемент. Полупроводниковые терморезисторы с косвенным подогревом, как приборы с тепловой связью, нашли широкое применение в современной радиоэлектронике и технике связи для регулирования и управления, в качестве преобразующих устройств, а также в электронных измерительных устройствах. Однако применение подобных приборов с тепловой связью несколько ограничено в связи со значительной

тепловой постоянной времени, а также разбросом параметров термочувствительного элемента и нелинейной зависимостью его сопротивления от температуры. Кроме того, перечисленные факторы определяют трудности встраивания этих приборов в элементы и узлы интегральных схем для удобства их совместного изготовления и использования. Поэтому для расширения области применения приборов с тепловой связью и дальнейшего их совершенствования специалистами было обращено внимание на твердотельные интегральные схемы, в которых имеются и нагреватели, и термочувствительные элементы и теплопередающая среда. Однако принципы конструирования твёрдотельных интегральных схем направлены на исключение в них теплоэлектрических процессов. Поэтому проведенный в главе 1 анализ примеров использования тепловой связи между элементами в полупроводниковых структурах с р-п - переходами позволил установить, что практически все они предлагались как способы расширения сферы применения серийно выпускаемых промышленностью изделий за счёт введения в их структуру тепловой связи и не являлись результатами целенаправленных исследований и разработок в области теплоэлектроники. Отдельные самостоятельные разработки, как, например, теплоэлектрический преобразователь типа ВВ4131 (рис.2) фирмы Burr Brown Research Corp. (Таксон, шт. Аризона), предназначены для выполнения конкретной измерительной (или иной) функции, в данном случае измерения эффективных значений напряжения или мощности, и содержат, в основном, известные технические решения.

Передаточная характеристика интегрального теплоэлектрического преобразователя (рис.2) имеет следующий вид:

..п.г&ЗЖ.-л.ь

D

где д = ^н^т ' (ТКН) ^ (ТКН) - температурный коэффициент прямого падения

п

нагр

напряжения на переходе база-эмиттер транзистора-преобразователя, равный 2мВ/°С; Лиагр - сопротивление нагрузки преобразователя, Ом.

Т.е. рассмотренные в главе 1 примеры использования тепловой связи между элементами в полупроводниковых структурах с р-п - переходами подтверждают только возможность построения полупроводниковых устройств с иными эксплуатационными характеристиками за счёт функционирования тепловой связи, но не определяют оптимального механизма создания и распространения тепловых потоков в полупроводниковых структурах с целью использования их в качестве проводников информации, ни метрологических характеристик процессов преобразования температуры, необходимых для использования их в микросхемах. Для успешного развития интегральной теплоэлектроники необходим был системный подход к созданию и применению микроэлектронных устройств с тепловой связью. Поэтому на момент выполнения диссертационной работы было известно, что одним из функциональных направлений микроэлектроники является "теплоэлектроника", и что она может содержать традиционные устройства электроники, но с тепловыми связями, заменяющими в них электрические связи, а также что имеются предложения по использованию тепловой связи в полупроводниковых структурах. Данный факт позволил . определить не только состояние проблемы, промышленную потребность её решения, но и основные пути её реализации, а именно:

- разработка базового теплоэлектрического преобразователя (теплотрона) в твёрдотельном варианте на основе приборов с /»-«-переходами;

, - разработка на основе базового теплоэлектрического преобразователя твёрдотельных элементов полупроводниковой электроники с тепловой связью -генераторов, усилителей, источников напряжения;

- разработка основ построения и применения датчиков физических величин на базе элементов теплотрона.

Подогрсяателмий

Рис. 2. Интегральный теплоэлектрический преобразователь на основе приборов

с р-и-перех одами.

Во второй главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по созданию твердотельного тепло-электрического преобразователя - теплотрона, как базового элемента тепло-электроники. В разделе 2.1 проведено изучение процессов выделения тепла в .полупроводниковых структурах с р-н-переходами и сформирована модель замещения электрических связей в твёрдом теле на тепловые. Установлено, что при прохождении тока через р-и-переход кроме источника тепла, создаваемого внешним напряжением смещения, появляются дополнительные источники тепла, обусловленные генерационно-рекомбинационными процессами в структуре. Для прямосмещенного р-н-перехода уход дырки сопровождается охлаждением /^-области полупроводника и количество уносимого в секунду тепла <2'р составляет СГР = 0,24 (фк - и^),

где 1Р - ток через р-п -переход, мА; Иг - напряжение нар-п -переходе, В; срк -контактная разность потенциалов, В. В л-области дырки рекомбинируют с электронами, вызывая появление нового электрона из металлического контакта, что приводит к его охлаждению на величину поглощенного тепла

(}-„ = 0,24 1Р (Е, -фк). При рекомбинации электрона и дырки количество выделяемого тепла составляет <3+ = 0,24 1р • Ев , где Е6 - ширина запрещенной зоны полупроводника, В. Суммарное количество поглощаемого тепла изр-области и металлического контакта равно О" = 0,24 1р (Ее - 1^). В результате количество выделенного тепла превышает поглощенное на ДО, обусловленное внешним напряжением смещения: (2+ - = ДО = 0,24 1Р ■ и? .

Указанные особенности выделения тепла имеют место и в обратносмещенных р-и-переходах, и в транзисторных структурах (таблица 1), поэтому при оценке выделяемой в них тепловой мощности известные методы расчета недостаточно точны. При составлении и решении уравнения теплопроводности нужно учитывать и особенности выделения тепла при протекании тока через р-п-переходы. Вычисления показали, что разность температуры, получающаяся за счет этого своеобразного переноса тепла, может достигать 10°С и при определенных условиях вносить существенную ошибку в результаты расчета температуры источника тепла в кристаллах с р-и-переходами известными методами. Использование данного метода для оценки температуры источников тепла, создаваемых в полупроводниковых структурах с р-и-переходами, в зависимости от их конструкции и электрического режима, позволило выбрать структуры, пригодные для преобразователей электрической мощности в тепловую. Показано, что наилучшей конструкцией преобразователя электрической мощности в тепловую для теплотрона является транзистор, включённый по схеме с общей базой по следующим причинам:

объём источника тепла ограничен объёмом обратносмещённого коллекторного р-п - перехода при условии, что Исв » иЕв;

- температура источника тепла пропорциональна электрической мощности, рассеиваемой в коллекторном р-п - переходе, и легко управляется эмиттерным током;

- преобразовательная характеристика такого элемента имеет линейный характер.

В разделе 2.2 проведено изучение косвенных методов измерения температуры источников тепла, создаваемых в структурах с р-п - переходами при рассеянии в них электрической мощности, с использованием термочувствительных параметров диодных и транзисторных структур (обратного тока через р-п -переход - 10, коэффициента усиления - Ь21б, прямого падения напряжения на р-п - переходе - Цр_п) и на основе результатов исследования причин погрешности измерения температуры

Исходные данные по источникам тепла в структурах с р-и-переходами для моделирования теплоэлектрических процессов в микросхемах _Таблица 1

М№ п/п Вид структуры с р-п - переходами Соотношения для источников тепла Соотношения для распределения температуры

1 Диод прямосмещённый д- = 0,241Р(Еч- иР) <3+ = 0,24 1Р Еч Л<3 = (2+-<3"=0,241РиР Т(хГ1р(Еч-иР)(Х8)-'(/-х) Т(Х)=1РЕч(^)-,(/-х)

2 Диод обратносмещённый СГ = 0,24 1к(Е„-ик) <3+ - 0,24 1а ик Т(х,= 1к(Еч-ик)(Х5)"(/-^ Т(х)=1Кик(^)-'(/-х)

3 Транзистор, активный режим, схема - О.Б. 1е = 1с д-Е=0,241б(фьк-иве) д+в, = 0,241в-Еч = 0,24 1с исв <3+В2 = 0,24 12в • гв Т(Х)=1Е(фК-иСЕ)(^У'(/-х) Т(х>= 1вЕч(Х8)"'(/ - х) Т(х)= 1сисв(^)"'(/ - х) Т(Х)= 12в ■ гв(^)-'(/- х)

косвенными методами разработан более совершенный метод измерения с использованием в качестве термочувствительного параметра интегрального входного сопротивления транзистора в схеме с общей базой - в . для которого можно записать

Лвх. в = h /и

ho +l+h2,B (е^-1)

+ (1 - h2iB)-rB,

где <рт - температурный потенциал, 1ео - начальный ток эмиттера, мА;

/г2| в - коэффициент передачи по току транзистора; гв - объемное сопротивление

базы, Ом.

Для экспериментального изучения тепловых процессов в транзисторных структурах, как видно из представленного выше выражения, использовать данный параметр затруднительно, поскольку в его выражение- входят не линейно зависимые от температуры характеристики (1Ео . /'21 в , гп ). Поэтому предложен способ преобразования данного параметра. При постоянном входном токе /Е входное напряжение Uex = IE -Rex в будет изменяться с температурой также как Л.вх. в- Пусть Uex = Uexj при входном токе 1Е\ и Uex = U„,2 при входном токе /Е2 . Тогда, при условии /Е2 > h\ » Ieo и при изменении температуры от Т\ до Т2 имеет место следующее выражение:

(Uex,2 - Uex, )т-т, - {Uex2 - Uехдт-п = {Тг - Т,) 2% In V/,,

где к - постоянная Больцмана; q - заряд электрона.

Как видно, левая часть полученного выражения, обозначим ее (Ai - Д2), прямо пропорциональна изменению температуры и не зависит от свойств полупроводникового материала и технологии изготовления транзистора.

Использование полученного параметра (Ai - Д2) в качестве термочувствительного для измерения температуры источников тепла в транзисторах позволило экспериментально обосновать оптимальность выбора транзисторной структуры, а также схемы включения и режима ее работы для построения интегрального преобразователя электрической мощности в тепловую.

В разделе 2.3 выполнены теоретические и экспериментальные исследования по разработке транзисторного варианта преобразователя мощности теплового сигнала в электрический сигнал, пригодного для работы в структуре теплотрона. В соответствии с задачами диссертации, теплотрон предназначен для работы с составе интегральных микросхем, в которых уже при разработке закладываются условия обеспечения минимально возможного уровня тепловых шумов, создаваемых рассеянием в микросхемах электрической мощности. Обычно данный уровень тепловых шумов не превышает десятых долей градуса, поэтому чувствительность преобразователя тепловой мощности в электрическую должна быть не хуже 0,1°С и линейность характеристики преобразования не хуже +1% в типовом для микросхем диапазоне рабочих температур от минус 50°С до плюс 100°С. Проведенные в разделе 2.2 исследования косвенных методов измерения температуры в транзисторах показали, что только два из них представляют интерес для сравнительного анализа: метод, основанный на применении в качестве термочувствительного параметра - прямого падения напряжения на р-п -переходе и метод,

использующий параметр ( Д 1 - Д 2)= Д Т к/ц 1п '-'//,.

Анализ показал, что первый метод удовлетворяет сформулированным выше требованиям к преобразователям, но только в диапазоне температур от минус 20°С до плюс 50°С из-за влияния на результат измерения сопротивления базы р-п -перехода. Второй метод имеет более широкий температурный диапазон (от минус 50°С до плюс 150°С) характеристики преобразования с линейностью, не хуже +1%, но с низким температурным коэффициентом, равным 0,35 мВ/град. при отношении ////=10. Поэтому в разделе 2.3 рассмотрены результаты исследования и разработки нового метода, пригодного для применения в теплотроне в качестве преобразователя тепловой мощности в электрическую и не содержащего недостатков указанных выше методов.

Показано, что при включении транзистора по схеме с общей базой с прямо-смещёнными р-п - переходами и использованием нового термочувствительного параметра - "плавающего потенциала" на коллекторе, при условии подключения эмиттера к генератору постоянного тока, обеспечивается необходимая чувствительность и линейность характеристики преобразования в заданном диапазоне температур.

Рис. 3. Преобразователь тепловой энергии в электрический сигнал на транзисторе с прямосмещенными р-п - переходами (а), его температурная характеристика (б) и его вариант на составном транзисторе (в).

При выводе вольтамперной характеристики такого преобразователя (рис.3) для каждого из р-п - переходов, смещённых в прямом направлении, можно записать:

Т - „ С П ЕЛ (о Ч^эб/(КТ) -х/Ьр

1Э(Х)~Ч ¡>э Ор- (е -1)е ,

Ьр

т — п <; г> — /„чикб/скт) 1\„-(\у-х)/1.р

где 1э, 1К - прямые токи через эмиттерный и коллекторный переходы, мА; иэб, ике - прямое падение напряжения на переходах эмиттер-база и коллектор- база, В;

Бэ, 8к - площади эмиттерного и коллекторного переходов, см2;

q - заряд электрона, равный 1,6 • 10 "19К;

Е)Р - коэффициент диффузии "дырок" в базе, см2/сек;

Рп - равновесная концентрация "дырок" в базе;

Ьр - диффузионная длина "дырок" в базе, см;

К - постоянная Больцмана, равная 1,37 • 10 "23 Дж/град;

Т - абсолютная температура, °К;

V/ - толщина базы, см.

Из приведенных выше уравнений видно, что через коллекторный переход протекает только часть эмиттерного тока, равная

Т -„о п РЧ (-„чиэб/КТ ,ч Ьр

При этом направление тока через коллекторный р-п - переход может совпадать с направлением тока 1э(х) или быть противоположным, переходя через нулевое значение, в зависимости от величины напряжения икв, а именно: 1к = Ьою -114*1 = Ь в"'- 1к6о (е4 икб/кт - 1), где 1кбо- обратный ток коллекторного перехода.

Поскольку в цепи эмиттера действует генератор тока, то в уравнении для тока 1К за параметр можно принять ток 1э и считать это уравнение вольтамперной характеристикой транзистора, включённого по схеме с общей базой с прямо-смещёнными р-п - переходами. Величина икв определяется значением тока 1э и при малых токах ¡к < 1э ведёт себя как плавающий потенциал, т.е. зависящий линейно от температуры с температурным коэффициентом, соответствующим температурному коэффициенту контактной разности потенциалов на коллекторном р-п - переходе (~2,2 мВ/град.) в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 100°С. При выборе тока 1э » 1«бо практически устраняется влияние

сопротивления базы и тока 1кб0 на температурные изменения тока 1К (рис.3,б). Для повышения чувствительности в два раза в схеме преобразователя применён составной транзистор (рис. 3,в).

Как следует из рис. 3 ,а, 1к = (Есм - Ц<б) / Як и зависит от температуры в соответствии с зависимостью величины икб. С другой стороны, величина 1к может изменяться за счёт изменения внешнего источника питания Есм, что позволяет устанавливать в схеме рис.3 любое начальное значение величины 1к, включая и нулевое. Поэтому в разделе 2.4 , после изучения различных схем теплоэлектрических преобразователей и передаточных характеристик, разработана в виде базовой схема транзисторного преобразователя (рис.4), содержащая в качестве преобразователя электрической мощности в тепловую транзистор, включенный по схеме с общей базой, а в качестве преобразователя тепловой мощности в электрическую транзистор, включенный по схеме с общей базой с прямосмещёнными переходами. Конструктивно преобразователи (рис.4) сформированы в одном полупроводниковом кристалле кремния и представляют твёрдотельный вариант схемы теплотрона.

Для стационарного режима работы теплотрона будут корректными следующие рассуждения: пусть входной ток теплотрона изменяется на величину А/ , тогда на входном транзисторе выделится электрическая мощность Рн = А1вх -и^. Перегрев входного транзистора, а следовательно и всего преобразователя, обусловленный рассеянием электрической мощности Ри, будет определяться величиной теплового сопротивления промежутка коллекторный переход входного транзистора - окружающая среда: АТ = Ягно • Рн.

Если тепловое сопротивление промежутка коллекторный переход входного транзистора - коллекторный переход выходного транзистора имеет незначительную величину по сравнению с тепловым сопротивлением всей структуры преобразователя, т. е. КТ!Ю » Ятщ, то для передаточной характеристики преобразователя (рис. 4) получим следующий вид

А/ =АГ ЦкЕКтпо(ТКН)

вых ex ^

= А-А1„>

где a = UKbRtho'VKH)

а нагр

В разделе 2.5 на основании анализа номенклатуры серийно выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборов и микросхем, определен перечень полупроводниковых структур с р-гс-переходами, пригодных для построения на их базе теплотрона, таких как транзистор типа КТ118, микросхемы серий 119, 159, 162 ,198 и др. Показано, что разработанные физические основы и схемотехнические решения теплотрона легко реализуются известными методами интегральной технологии.

Рис. 4. Схема базового транзисторного теплоэлектрического преобразователя -теплотрона (а) и его передаточная характеристика (б).

В третьей главе разработками интегральных схем с тепловой связью продемонстрирована возможность на основе базового теплоэлектрического преобразователя (теплотрона) создания функциональных устройств теплоэлектроники: усилителей, генераторов, источников напряжения в твердотельном исполнении. Все эти устройства резко отличаются по своим характеристикам и техническим возможностям от аналогичных устройств, построенных традиционными методами современной электроники. Так, например, усилители с тепловой связью (рис. 5) обеспечивают линейную передаточную характеристику благодаря наличию тепловой связи, гальваническую развязку потенциалов между входом и выходом только благодаря наличию тепловой связи, и, наконец, обеспечивают взаимозаменяемость при массовом их производстве только благодаря наличию тепловой связи, так как параметры тепловой связи и усиление определяются не коэффициентами усиления используемых транзисторов, а режимом работы усилителя и его конструктивными характеристиками.

Рис. 5 Твердотельный усилитель с тепловой связью и с тепловой развязкой потенциалов: 1 - нагреватель; 2 - датчик температуры.

Для твёрдотельного усилителя с тепловой связью (рис.5) передаточная характеристика в стационарном режиме его работы определяется уравнением:

икБ Кто (ТКН)

¡Вых = 1вх _I

К-нлгр

Если для схемы (рис.5) усилителя в качестве структуры с р-п - переходами выбран транзистор типа КТ118, то для бескорпусного варианта транзистора можно установить следующие значения элементов передаточной

характеристики:

- тепловое сопротивление кристалл-среда 11тно.........................2°С/мВт;

- напряжение смещения икб коллектора VI ..............................25В;

- входной ток 1вх транзистора VI ...........................................1мА;

- температурный коэффициент ТКН.......................................2мВ/°С;

- сопротивление нагрузки К„а1р. транзистора V2........................1кОм.

Тогда, подставив эти значения в уравнение для передаточной характеристики, получим:

1ВЫХ = 1 х 25 х 2 х 2 / 1000 = 0,1мА. После простых вычислений для коэффициента усиления по мощности получим:

- для входной мощности Рвх=1вх ивх=1мА х 0,65В = 0,65мВт;

- для выходной мощности Рвых = 12вых Кнагр = 0,01 х 1000 = 10мВт;

- для коэффициента усиления по мощности

КР = Рвых / Рвх = ЮмВт I 0,65мВт = 15,4. Коэффициент усиления по мощности можно увеличить в два раза, если в переда- точной характеристике увеличить в два раза напряжение смещения икб транзистора VI, т.е. установить ик6= 50В. Увеличить коэффициент усиления усилителя (рис.5) можно также путём увеличения ТКН чувствительного

параметра транзистора У2, включив вместо У2 составной транзистор, как показано на рис. Зв.

Такими свойствами не обладает ни один транзисторный усилитель, выполненный с помощью традиционной интегральной технологии. При подаче на вход схемы (рис. 5) ступени мощности можно получить переходную характеристику (рис.6), которая определяет не только стационарный, но и нестационарный режим работы усилителя с тепловой связью.

Конструкцию теплоэлектрического преобразователя (рис. 5) , как и любого полупроводникового прибора или микросхемы, с точки зрения распространения тепла, можно представить состоящей, как минимум, из трех элементов: полупроводникового кристалла с р-п -переходами, теплоизолятора и корпуса.

Каждый элемент описывается своей переходной тепловой характеристикой, поэтому общая переходная тепловая характеристика усилителя с тепловой связью представляет собой сумму экспонент переходных тепловых характеристик отдельных его элементов. Если считать, что при рассеянии мощности в нагревателе тепловой поток направлен от нагревателя преимущественно в сторону датчика температуры и корпуса усилителя с тепловой связью, то для переходной тепловой характеристики всего усилителя (рис. 6) получим:

где Р - мощность, подаваемая на нагреватель в момент / = О, Вт;

рг кр , к?.. кг.кор. - тепловые сопротивления кристалла, теплоизолятора и корпуса соответственно, град / Вт;

Т = Р-11ТКР 1-е

+ Р-КТ.Т 1-е 4Л? +

ч

ч

/

аКР , ат -коэффициенты температуропроводности материала кристалла и теплоизолятора соответственно, м2 / с;

Икр, - толщина кристалла и теплоизолятора соответственно, м.

Рис. 6. Переходная характеристика усилителя с тепловой связью для нестационарного режима его работы. Генераторы, которые строятся на основе усилителей с тепловой связью (рис.5), позволяют формировать периодические сигналы прямоугольной, пилообразной формы в диапазоне частот от десятков до долей герца, также благодаря только наличию в генераторах тепловой связи и также не имеют аналогов среди генераторных схем, построенных по традиционной транзисторной технологии (рис.7), причем размеры такого генератора не превышают размеры полупроводникового кристалла - (1,2 х 1,2 х 0,3)мм3. Расчет параметров генератора целесообразно производить по тепловым переходным характеристикам (рис.7,б), которые для регулярного режима описываются выражениями:

т = тп

I л

1-е

- при нагреве источника тепла;

Т — Т0е т - при остывании источника тепла. Источники питания (рис. 8), выполненные на основе теплотрона, обеспечивают -р- Ш^в

Еп С

Тг

Вг

й ! г л к 5 в ? & а ю * с

Т/ А.

а б .

Рис. 7. Схема генератора периодических колебаний с тепловой связью (а) и форма выходного сигнала (б).

выходные характеристики (рис. 9) на уровне лучших зарубежных образцов прецизионных источников опорного напряжения благодаря наличию и особому применению тепловой связи и также не имеют аналогов в традиционной микроэлектронике. Эта схема содержит изготовленные по технологии линейных интегральных схем чувствительный к температуре элемент на составном транзисторе, стабилитроны, диффузионные резисторы, транзисторы, которые сформированы на одном кремниевом кристалле, и практически полностью реализует в интегральном варианте схему преобразователя тепловой энергии в электрический сигнал, приведенную на рис. 3,в. Результат, приведенный на рис. 9, получен благодаря практической реализации разработанного в диссертации способа параметрической компенсации дестабилизирующих факторов при измерении и регистрации физических величин и устройства для его осуществления (Патент РФ № 2048029).

Сущность способа заключается в том, что в разрабатываемом измерительном устройстве создаются два источника генерации дестабилизирующего фактора, от которого необходимо избавиться при измерении физических величин,

терморегулирования.

1522 -р 1521.5 ■ ■ 1521 ■ ■

ш .

1 1520.5 ■ ■

•з

2 1520 ■ ■

а

1519,51519 -■

1518,5 •■ 0

Рис. 9. Зависимость входного напряжения прецизионного опорного источника от температуры (1) и от напряжения питания (2).

причем оба источника возбуждаются от одного и того же дестабилизирующего фактора и выдают на выходе сигналы, пропорциональные интенсивности дестабилизирующего фактора, но противоположной полярности. Между источниками в схеме существует связь по дестабилизирующему сигналу, которая обеспечивает компенсацию сигнала.

Представленные в главе 3 результаты показывают, что, используя широко известные методы построения основных устройств традиционной полупроводниковой электроники - усилителей, генераторов, источников напряжения, а также имеющиеся в современной микроэлектронике промышленные полупроводниковые структуры с р-п - переходами, такие как микросхемы серий 159, 162, 198 и др., можно строить аналогичные устройства, относящиеся к такому функциональному направлению, как теплоэлектроника. Причем лучшие схемотехнические результаты при построении указанных устройств достигаются, когда их разработка проводится на основе базового теплоэлектрического преобразователя - теплотрона.

В главе 4, по аналогии с развитием оптоэлектроники, области применения которой определяются промышленно-полезными свойствами не только самого оптрона, но и его отдельных элементов (фотодатчиков, светоизлучателя, световода), рассмотрены результаты разработок по созданию системы датчиков физических величин на основе отдельных элементов теплотрона.

В разделе 4.1 показано, что применение транзистора, включенного по схеме с общей базой с прямосмещенными р-п - переходами (рис. 3), в качестве датчика температуры позволяет обеспечить такие его параметры, как высокую чувствительность к температуре (не хуже 2 мВ/°С), линейную характеристику преобразования (не хуже + 0,1%) в диапазоне температур от 0°С до плюс 100сС, взаимозаменяемость, технологичность. Такие характеристики для датчика получены благодаря применению нового термочувствительного параметра в датчике - "плавающего потенциала" на коллекторном или эмиттерном р-п - переходах, который создаётся в термочувствительном транзисторе, как схемой его включения, так и электрическим режимом его работы. В разделе 4.2 показана возможность построения датчиков скорости потока жидкостей и газов - термоанемометров, приведены схемы их практической реализации.

Показано, что термоанемометры, построенные на основе полученного в разделе 4.1 датчика температуры обладают высокой чувствительностью и могут применяться для контроля слабых потоков жидкостей и газов (менее 1 м/сек).

В разделе 4.3 рассмотрены методы создания в кристалле кремния мембраны толщиной (15 20)мкм с использованием химического травления кремния. Показано, что "плавающий потенциал" реагирует на воздействие механического давления аналогично воздействию температуры, и что датчик температуры, предложенный в разделе 4.1, является также оптимальным датчиком давления, если его схема сформирована в объеме мембраны кристалла кремния (рис. 10).

а Ивых

Рис. 10. Датчик давления на основе элементов теплотрона с термокомпенсацией.

В разделе 4.4 рассмотрена возможность применения фототранзисторов в режиме прямосмещенных /»-«-переходов в качестве фотодатчика. Показано, что в качестве фоточувствительного параметра для вентильного режима работы эмиттерного /»-«-перехода фототранзистора наиболее приемлемым является применение "плавающего потенциала" на эмиттере. Предложена схема фотодатчика на элементах теплотрона с термокомпенсаией (рис. 11).

В разделе 4.5 на основе предложенных в разделах 4.1 -т- 4.4 датчиков различных физических величин (температуры, расхода, давления, освещенности) разработана интегральная схема многофункционального электронного прибора (датчика) (рис. 12), приведены эксплуатационные характеристики экспериментальных образцов многофункционального датчика (рис. 13 - рис. 16), рассмотрены конструктивные и технологические особенности его изготовления (рис. 17).Показано, что разработанная на основе теплотрона схема датчика (рис. 12) позволяет создавать устройства со

4 и ёш А

Рис. 11. Датчик освещенности на основе элементов теплотрона с термокомпенсацией.

следующим функциональным назначением: датчик температуры, датчик давления, датчик освещенности, термоанемометр, прецизионный источник напряжения и выполнять функции теплотрона, т.е. преобразователя электрических сигналов с тепловой связью. Напряжение питания датчика подается на выводы 1 и 2 схемы. При изменении температуры окружающей среды в схеме датчика изменяются два обозначенные на рис. 12 напряжения, это ивь„1 и и„ЫХ2 ■ Выходное напряжение ивьца снимается с выводов 3 и 4 схемы датчика, имеет дифференциальный характер и предназначено для измерения

■1—СИ—Г

Як | Т< Т2 | ;?к

Рис. 12. Электрическая схема многофункционального датчика на основе теплотрона.

абсолютной температуры с применением аналого-цифровых преобразователей типа КР572ПВ2А, КР572ПВ5А и др. При использовании датчика

1650 1550 1450 1350 m 1250 а.

Я

1150 а

ш

1050 -1 950 850 750

Рис.13. Типовая зависимость напряжений UBUXi и UBblX2 датчика от температуры.

совместно с электронными устройствами, для которых важно, чтобы обрабатываемый ими сигнал поступал к ним на вход относительно шины, являющейся общей как для датчика, так и для данных устройств, необходимо применять относительное выходное напряжение датчика ивыХ2, снимаемое с выводов 4 и 2 схемы датчика (рис. 12).

Типовая зависимость выходных напряжений датчика ивыХ1 и ивых2 от температуры окружающей среды представлена на рис. 13. Диод Э2 в схеме датчика (рис. 12) способен при пропускании через него электрического тока в режиме стабилитрона обеспечить косвенный подогрев датчика, пропорциональный выделяемой в В2 электрической мощности. Датчик температуры с косвенным подогревом (или термоанемометр) предназначен для измерения физических параметров потоков жидкости и газа (скорости потока, расхода и т.д.). Типовая зависимость и8ЫХ1 датчика с косвенным подогревом от величины тока через нагревательный диод (1 - до 20мА, 2 - до 40мА) представлена на рис. 14.

Ж

Г ?

/

и

/

/ /

У /

/

У

120

160 200

"(2)

-50 40 . 30 .20 , 10 0

360 400

Чвых.1, мВ

Рис. 14. Типовая зависимость напряжения ивыХ1 датчика от величины тока, протекающего через его нагревательный диод 02 (прямая 2 является продолжением прямой 1).

иеых. 1, „в 100 80. 60

40

20

100 200 300 400 500 600

800

Р, кПа

Рис. 15. Экспериментальная зависимость и„ыхл датчика от изменения механического давления на мембрану.

В настоящее время хорошо известно, что кремний, по сравнению с другими тензометрическими материалами, обладает такими достоинствами, как высокая чувствительность к давлению, почти полное отсутствие гистерезиса, проявляющееся в том, что повторное приложение механических усилий к кремнию не препятствует его возвращению в первоначальное состояние, точность, стабильность и присущая полупроводниковому материалу высокая долговечность. Устранение погрешности, связанной с изменением температуры окружающей среды, для всех выпускаемых промышленностью полупроводниковых датчиков давления является серьезной проблемой. В рассматриваемом датчике эта проблема решается путем установления в схеме датчика режима источника опорного напряжения, как это показано на рис. 8.

Экспериментальная зависимость иных1 датчика от изменения механического давления на мембрану представлена на рис.15.

Поскольку в качестве чувствительного элемента рассматриваемого многофункционального полупроводникового датчика выбран составной фототранзистор, аналог которого выпускается отечественной промышленностью

типа 192ПП1,то его оптоэлектрические характеристики во многом соответствуют промышленному аналогу при работе фототранзистора как фотодиода в вентильном режиме. Устранение погрешности, связанной с изменением температуры окружающей среды, в датчике освещенности, также как в датчике давления, решается путем установления в электрической схеме датчика режима источника опорного напряжения. Экспериментальная зависимость выходного напряжения UBbixl датчика от интенсивности освещения представлена на рис. 16 при длине волны X = 0,55мкм.

в

2

i зоо

250 200 150 100 50 0

2 4 6 Е, фот

Рис. 16. Экспериментальная зависимость выходного напряжения UBb,xl датчика от интенсивности освещения при длине волны X = 0,55мкм.

Интегральная схема датчика, соответствующая принципиальной схеме, представленной на рис.12, сформирована в кристалле кремния в объеме (1,2 х 1,2 х 0,02)мм3. Функциональные особенности датчика определяются конструкцией корпуса и наличием в полупроводниковом кристалле для датчика давления мембраны. Схематически отличительные особенности конструкции датчика, связанные с его функциональным назначением, показаны на рис. 17.

Таким образом, приведенные в главе 4 результаты работ по созданию системы датчиков физических величин указывают на то, что элементы теплотрона обладают способностью создавать собственную сферу применения дополнительно к сфере применения интегральных схем с тепловой связью в области теплоэлектроники, подтверждая тем самым её состоятельность, как самостоятельного направления микроэлектроники.

В главе 5 рассмотрены соображения по конкретной реализации в народном хозяйстве полученных автором научных результатов. Если в разделах 1.4 и 1.6 диссертации рассмотрены области применения теплоэлектрических преобразователей, которые базируются на замене электрических сопротивлений и емкостей на тепловые сопротивления и ёмкости, что позволяет строить малогабаритные электронные устройства на очень низкие рабочие частоты (от десятков до долей герца) - это фильтры низких частот, генераторные устройства с длительностью выходного сигнала до нескольких десятков секунд, то в главе 5 диссертации рассмотрены наиболее важные области применения теплоэлектрических преобразователей, связанные с такими их характеристиками, как линейность уравнения преобразования и взаимозаменяемость.

К данным областям применения теплоэлектрических преобразователей прежде всего относятся медицина, промышленность (управление процессами) и измерительная техника. При этом, основным техническим средством, предназначенным для реализации практических задач в перечисленных выше областях применения теплоэлектрических преобразователей являются электронные системы сбора данных. Примерный вид трехканальной электронной системы сбора данных приведен на рис. 18. В разделах 5.1 и 5.2 показано, что применяя изолирующие усилители с тепловой развязкой, которые характеризуются идентичностью, а также идентичные датчики физических величин на основе теплотрона для построения систем сбора данных с

идентичными каналами, их можно использовать не только как измерительные системы, но и как системы диагностирования, т. е. как системы для оценки технического состояния объектов.

Рис. 17. Особенности конструкции датчика в зависимости от его функционального назначения.

Особенность создания системы диагностирования состоит в анализе и учете свойств объекта диагностирования и выборе контрольно-измерительной аппаратуры (в данном случае системы сбора данных). При этом алгоритм диагностирования и контрольно-измерительная аппаратура представляют собой средство диагностирования.

Рис. 18. Примерный вид трехканалыюй электронной системы сбора данных.

При разработке алгоритма диагностирования необходимо выявить совокупность свойств объекта, изменение которых при воздействии внешних факторов может привести к нарушению его качества изготовления и режима эксплуатации. Каждое свойство характеризуется физической величиной, которую можно измерить. Однако точность диагностирования зависит не только от точности измерения совокупности физических величин, но и от точности, с которой выбранная совокупность величин определяет наличие или отсутствие конкретного вида дефекта в объекте. Поэтому построение системы сбора данных для диагностирования выполняют под определенный алгоритм диагностирования. Но для того, чтобы система сбора данных не создавалась под каждый объект диагностирования заново, а подвергалась только процессам настройки и калибровки, необходимо иметь систему сбора данных с

идентичными каналами, а это можно обеспечить только путем использования в ней элементов и устройств теплоэлектроники (датчиков различных физических величин на основе теплотрона, изолирующих усилителей с тепловой развязкой, прецизионных источников опорного напряжения на основе теплотрона для повышения точности преобразования АЦП и др.). Приведены примеры практической реализации электронных систем диагностирования объектов.

1. Разработаны теоретические основы создания электронных приборов и устройств с тепловой связью с использованием микроминиатюрных транзисторных структур, выполняемых методами интегральной технологии.

2. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований в области конструирования и применения полупроводниковых терморезисторов с косвенным подогревом и транзисторных преобразователей температуры разработаны новые виды термоэлектрических преобразователей -теплотроны, и изучены их функциональные характеристики.

3. Изучены процессы выделения тепла в полупроводниковых структурах с р-п -переходами при прохождении через них токов, порядка единиц и долей миллиампера. Установлено, что в объёме полупроводника, по которому протекает ток, кроме источника тепла, создаваемого внешним напряжением смещения, появляются дополнительные источники тепла, локализованные в местах генерации и рекомбинации носителей заряда. Определены ' математические выражения для этих источников. Показано, что разность температур за счёт этого своеобразного переноса тепла может достигать 10°С

и что для расчёта выделяемой тепловой мощности в полупроводниках с р-п -переходами исходных данных при составлении и решении уравнения теплопроводимости уже недостаточно. Нужно, для обеспечения необходимой

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

точности, учитывать особенности выделения тепла при протекании тока через р-п -переходы. По результатам вычислений определены структура (транзисторная) и схемотехническое решение (схема включения с общей базой) преобразователя электрической мощности в тепловую, пригодного для работы в микросхемах.

4. Разработана модель замещения электрических связей в микросхемах на тепловые связи с учётом особенностей выделения тепла при протекании тока через р-п -переходы и определены требования к режимам преобразования электрической мощности в тепловую и тепловой мощности в электрическую в микросхемах.

5. Исследованы косвенные методы измерения температуры в транзисторах. Установлено, что все известные методы усредняют результат измерения по объёму генерации используемого в них термочувствительного параметра и по этой причине малоэффективны при измерении температуры локализованных источников тепла в транзисторах из-за возможных значительных погрешностей. На основе проведенных исследований разработан более эффективный метод измерения температуры в транзисторах, который применён для экспериментального обоснования оптимальности выбора транзисторной структуры в качестве преобразователя электрической мощности в тепловую и режима её работы, исключающего влияние дополнительных источников на температуру основного источника тепла. Метод основан на использовании ( Д1 - Д 2) = (ию2 - и„0т-т1 - (ию2 - ивх,)т.п в качестве термочувствительного параметра транзистора, включённого по схеме с общей базой. Показано, что для двух значений входных токов /ц>/и>>/£0 разность ( Д 1 - Д 2) = (Гг - Т1) к/ч 1п 1е/1е1 прямо пропорциональна изменению температуры в диапазоне от минус 50°С до плюс 100°С и не зависит от свойств полупроводника и технология изготовления транзистора.

6. Разработан на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований транзисторных преобразователей температуры интегральный вари- ант преобразователя тепловой мощности в электрическую, представляющий собой транзистор, включённый по схеме с общей базой с прямосмещёнными р-п -переходами и использующий в качестве термочувствительного параметра - "плавающий потенциал" на коллекторе, при условии подключения эмиттера к генератору постоянного тока. Показано, что данный преобразователь обладает линейностью характеристики преобразования в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 100°С не хуже ±1%, чувствительностью к температуре не хуже +0,1 °С и пригоден для работы в составе теплотрона.

7. Создана схема интегрального теплоэлектрического преобразователя-теплотрона, на основе разработанных схемотехнических решений для транзисторных преобразователей электрической мощности в тепловую и тепловой в электрическую.

8. Установлена, в результате анализа серийно выпускаемых отечественной промышленностью полупроводниковых приборов и микросхем, номенклатура полупроводниковых структур с р-л-переходами, пригодных для практической реализации схемы теплотрона, а именно: транзистор КТ118, микросхемы серий 159, 162, 198, 119 и др. Показано, что разработанные физические основы и схемотехнические решения теплотрона легко реализуются с помощью известных методов инте1ральной технологии.

9. Разработаны на основе схемотехнических решений теплотрона твёрдотельные усилители с электрической развязкой входной и выходной цепей, микроминиатюрные генераторы с прямоугольной и пилообразной формой импульсов в диапазоне частот от десятков до долей герц и прецизионные источники опорного напряжения, не имеющих аналогов среди приборов,

выполненных широко используемыми методами построения полупроводниковых электронных устройств.

10. На основе преобразователя тепловой мощности в электрическую (выходного элемента интегрального варианта теплотрона), использующего в качестве чувствительного параметра "плавающий потенциал" на коллекторном переходе, разработаны схемотехнические решения дискретных датчиков температуры, давления, освещённости на практические диапазоны измерений, с линейными характеристиками преобразования.

11. Разработаны теоретические основы выполнения многофункционального электронного прибора в твёрдотельном исполнении для контроля температуры, давления, освещённости с использованием интегральных транзисторных структур с тепловой связью. Показана возможность практической реализации прибора известными методами интегральной технологии.

12. Определены некоторые области применения элементов и устройств интегральной теплоэлектроники, связанные с разработкой и внедрением электронных систем сбора данных и систем диагностирования объектов. Использование разработанных датчиков физических величин, усилителей с электрической развязкой, источников опорного напряжения в системах диагностического контроля качества выпускаемой продукции позволило получить в отрасли суммарный экономический эффект, согласно Указанию МЭП №У - 344, в размере 5,24 млн. руб. (в ценах 1990 года.)

Основные положения и результаты опубликованы в следующих работах:

1. Громов B.C. Фотоэлектронные приборы. Обзор по материалам иностранной печати. Радиоэлектроника в 1967г., НИИЭИР, 1968, - с. 18-33.

2. Громов B.C. Фотоэлектронные приборы. Обзор по материалам иностранной печати. Радиоэлектроника в 1969г., НИИЭИР, 1970, - с. 23-38.

3. Зайцев Ю.В., Громов B.C., Григораш Т.С. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи. М.: Радио и связь, 1985, - 120с.

4. Громов B.C. Методы и аппаратура для определения температуры коллекторного р-п -перехода. МЭП СССР.: Обзоры по электронной технике. Сер. Полупроводниковые приборы, 1970, вып. 8(239), 20с.

¡5. Громов B.C., Куралесов В.И. Измеритель температуры элементов полупроводниковых приборов. МЭП. Информационно-справочный листок, серия 2, №002033, 1972, - 2с.

6. Громов B.C. Полупроводниковые датчики для современных измерителей температуры. Электронная техника, серия 8, вып. 8, 1976, - с. 18-24.

7. Годов А.Н., Горюнов H.H., Громов B.C., Курносов А.И., Мозгалев В.А. Конструкции корпусов и тепловые свойства полупроводниковых приборов. -М.: Энергия, 1972, 120с.

8. Громов B.C. Установка для измерения RT транзисторов по прямому падению напряжения на переходе. Информационно-справочный листок. ЦНИИТЭИН, №0123229, VI, 1967,4с.

9. Громов B.C. Измерение температуры в полевых транзисторах МЭП. Информационно-справочный листок. Серия "Полупроводниковые приборы", ЦНИИТЭИН, №000593, 1969, - 6с.

10. Громов B.C. Измерение температуры в тиристорах. МЭП. Информационно-справочный листок. Серия "Полупроводниковые приборы", №001111, 1970, -2с.

11. Громов B.C., Гуртиков В.И. Установка для измерения теплофизических параметров полупроводниковых приборов. МЭП. Информационно-справочный листок №001536, Серия 2, 1971, - 7с.

12. Громов B.C., Годов А.Н., Горюнов H.H. Оценка надежности транзисторов по максимальной температуре коллекторного перехода.

Стандарты и качество, №11,1969, - с. 15-24.

13. Громов B.C., Карнеева Р.Т. Исследование тепловых процессов в планарных транзисторах. Электронная техника, Серия 2, вып. 1, 1970, - с. 21-31.

14. Громов B.C., Кузнецова В.Г. Теплоэлектрическая модель дефектности мощных транзисторов. - М.: Электронная промышленность, №2,1982,

-с. 38-41.

15. Громов B.C., Григораш Т.С. Режим теплоэлектрического преобразования для исследования надежности транзисторов. - М.: Электронная промышленность,

№2, 1982,-с. 51-54.

16. Громов B.C., Кузнецова В.Г. Измерение теплофизических характеристик полупроводниковых приборов. - М.: Электронная промышленность,

вып. 1, 1981, с. 79-86.

17. Громов B.C., Горюнов H.H., Кузнецова В.Г. Теплофизические методы контроля полупроводниковых приборов. -М.: Электронная промышленность, вып.2, 1972, с. 18-21.

18. Громов B.C., Николаевский И.Ф. "Электронная техника", сер.2 "Полупроводниковые приборы", 1967, вып. 4, с. 281-289.

19. Громов B.C., Перельман Б.А. "Полупроводниковые приборы и их применение".

Сб. ст. под ред. Я. А. Федотова, М.: Сов.,Радио, вып. 18, 1967, с. 71-79.

20. Громов B.C. Сравнительная оценка способов измерения Rtjc транзисторов. Информационно-справочный листок. Серия : Полупроводниковые приборы, ЦНИИ "Электроника", № 000601, 1969, 4с.

21. Громов B.C., Карнеева Р.Т. Методы определения теплового сопротивления малошумящих транзисторов. Информационно-справочный листок.

Серия: Полупроводниковые приборы, ЦНИИ "Электроника", №012237, 1967,3с.

22. Громов B.C., Перельман Б.Л. Измерение температуры коллекторного перехода с использованием статического коэффициента передачи тока базы. "Полупроводниковые приборы и их применение",

сб. ст. под ред. Я.А. Федотова, -М.: Сов радио, вып. 24, 1970, с. 251-259.

23. Громов B.C., Кривоносов А.И., Утямышев Р.И. Устройство для измерения температуры. Комитет по делам изобретений и открытий при СМ СССР. Авторское свидетельство № 361398. Опубликовано в бюллетене № 1, 1973, Зс.

24. Громов B.C., Славгородский В.И. Транзисторный теплоэлектрический преобразователь. Электронная техника, серия 2, вып. 3, 1975,- с. 32-39.

25. Громов B.C., Калашникова Н.П., Меделяновский А.Н. Устройство для измерения температуры. Комитет по делам изобретений и открытий

при СМ СССР. Авторское свидетельство № 528461. Опубликовано в бюллетене № 34, 1976, 2с.

26. Громов B.C., Кукса Ю.Н. Тепловая развязка потенциалов в системах сбора данных. Электроника: НТБ, 2003, № 6, с. 38-39.

27. Громов B.C., Григораш Т.С. Твердотельный усилитель с тепловой связью. Комитет по делам изобретений и открытий при СМ СССР. Авторское свидетельство № 1564710. Опубликовано в бюллетене № 18, 1990, Зс.

28. Громов B.C. Источник питания. Комитет по делам изобретений и открытий при СМ СССР. Авторское свидетельство № 480068.

Опубликовано в бюллетене № 29, 1975, 2с.

29. Громов B.C. Способ параметрической компенсации дестабилизирующих факторов при измерении и регистрации физических величин и устройство для его осуществления. Комитет РФ по патентам и товарным знакам. Патент № 2048029 на изобретение, 1995.

30. Громов B.C., Кожевников И.Г. Термоанемометр. Комитет по делам изобретений и открытий при СМ СССР. Авторское свидетельство № 1720020. Опубликовано в бюллетене № 10, 1991, 3 с.

31. Громов B.C. Способ измерения и регистрации физических величин и устройство для его осуществления. Комитет РФ по патентам и товарным знакам. Патент № 2048028,1995.

32. Громов B.C., Григораш Т.С. Транзисторные термопреобразователи в устройствах контроля температуры. Новочеркасский политехнический институт. Известия ВУЗов, Электромеханика, № 12,1980, -с. 1331.

33. Громов B.C., Власов Д.Г. Использование транзистора в качестве датчика температуры в терморегулирующих устройствах. Электротехническая промышленность. Серия "Бытовая электротехника", вып. 4, 1975, - с.16-18.

34. Громов B.C. Тепловая развязка потенциалов в электронных системах сбора данных Тезисы докладов международной научно-технической конференции

(г. Сочи) "Системные проблемы качества, математического моделирования, информа-ционных и электронных технологий". Часть 1 - М.: Радио и связь, 2003, с. 42.

35. Громов B.C., Шувалов Б.А. Особенности создания и использования систем диагностирования ИЭТ. ЦНИИ "Электроника", - М.: Электронная промышленность, № 7,1990, с. 8-11.

36. Громов B.C., Феоктистов Ю.Ф. Особенности создания и использования систем диагностирования при сертификации низковольтных соединителей иностранного производства. Тезисы докладов международной научно-технической конференции (г. Сочи) "Системные проблемы качества,

математического моделирования, ин-формационных и электронных технологий". Часть 1 - М.: Радио и связь, 2003, с. 43.

37. Громов B.C. Простой взаимозаменяемый датчик для контроля тепловых режимов блоков и узлов аппаратуры. Тезисы докладов международной научно-технической конференции (г. Сочи) "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий". Часть 1 - М.: Радио и связь, 2002, с. 47.

38. Лавренцов В.Д., Громов B.C. Бесконтактная система комплексной оценки работоспособности радиоэлектронной аппаратуры. Тезисы докладов международной научно-технической конференции (г. Сочи) "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий". Часть 1 - М.: НИИ "Автоэлектроника", 2000, с. 79.

39. Громов B.C., Шувалов Б.А., Штрыков В.К. Концепция обеспечения заданного уровня качества и надежности ИЭТ путем создания и использования систем диагностирования. Труды IX Межотраслевого НТС "Организация работ в отраслях по обеспечению качества и надежности перспективной аппаратуры связи, БРЭА и ИЭТ". Одесса, 1990, - с.38-42.

40. Громов B.C., Кукса Ю.Н. Многофункциональный датчик для электронных систем сбора данных. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции (г. Сочи). "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий", Часть 1

-М.,: Радио и связь; 2004, с 98.

Подписано в печать 12.04.06. Формат 60x84 1/16. Печать на ризографе. Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 62.

Отпечатано в типографии издательского центра МАТИ 109240, Москва, Берниковская наб., 14

Введение

Глава

Анализ основных направлений исследования и разработок в области теплоэлекктроники

1.1. Структура и основные характеристики теплоэлектрических преобразователей на основе терморезисторов с косвенным подогревом

1.2. Теплоэлектрические преобразователи на основе поликристаллических полупроводников

1.3. Теплоэлектрические преобразователи на основе терморезн-сторов с монокристаллическим ТЭ

1.4. Применение теплоатектрических преобразователей на основе терморезисторов косвенного подогрева

1.5. Теплоэлектрические преобразователи на основе приборов с /^«-переходами

1.6. Предложения по использованию приборов с ^«-переходами в качестве элементов теплоэлектроники

Электроника во всем югре переживает очередную ^революцию. Усложнение функщт радиоэлектронной аппаратуры привело к резкому усложнению самих радиоэлектронных систем и, как следствие, к лавинообразному росту активных и пассивных компонентов. в системах. Современный этап конструирования радиоэлектронной аппаратуры характеризуется ее комплексной миниатюризацией на основе широкого применения микроэлектронных схем, исчезает понятие «электронная компонентная база», появляется - «система на кристалле». Зачастую уже практически невозможно провести границ)-' между электронным компонентом и радиоэлектронной аппаратурой. В настоящее время уровень интеграции в СБИС превышает 104 компонентов/кристалл (площадь типовых кристаллов 2,5 мм2). Дальнейшее повышение .уровня интеграции ограничивается не проблемами проектирования интегральных схем к не технологией их изготовления, потенциальные возможности которой будут исчерпаны не скоро, а чисто физическими факторами [1].

Наиболее серьезное ограничение связано с отводом тепла от микроструктур. По мере уменьшения размеров микроструктур, возрастают трудности отвода, выделяемой ими тепловой энергии л, вследствие этого, лимитируется дальнейшее повышение уровня интеграции и надежности интегральных схем. Снижение мощности рассеяния мшфострукгур (по мере увеличения степени интеграции) за счет понижения подводимой энергии ограничено минимальной мощностью, необходимой для обеспечения работоспособности схемы.

Другим фактором, ограг-игчивамщкм уровень интеграции. является рост электрического сопротивления проводников с уменьшением размеров микроструктур, приводящий к }^еличеншо выделяемого схемой тепла п потерь в ней.

Не менее важное влияние на ограничение .уровня интеграции оказывает явление электромшрацшг в пленочных проводниках (движение ионов) при высоких плотностях тока. Это явление также обусловливает снижение надежности.

Кроме того, для обеспечения высокой надежности сложных радиоэлектронных систем, содержащих большое число интегральных схем, необходимо многократное резервирование, что приводит к увеличению числа компонентов.

Таким образом, перед интегральной электроникой по существу снова возникают те же проблемы, которые стимулироваш вначале ее развитие: 'Проблема «возрастающих количеств», организации межсоединений и повышения надежности. Несмотря на коренное преобразование технологии, интегральная: электроника не содержит в себе революдионной научной идеи, необходимой при создании сверхсложных радиоэлектронных систем. Как известно, в интегральной электронике используются принципы классической теории цепей, а сейчас уже не вызывает сомнения, что ни одно из направлений, основывающихся на классической схемотехнике, не может дать полного решения проблемы возрастающих количеств. Все эти направления обеспечивают реализацию заданных функций системы путем составления адекватной электрической схемы на соответствующих компонентах, работа которых основана на физических свойствах используемого вещества Поэтому разработка методов и средств, направленных на решение перечисленных выше проблем микроэлектроники, имеет обоснованную актуальность. Исследования и разработки последних лет в области микроэлектроники показывают, что принципиальное решение проблемы возрастающих количеств может быть получено только при полном отбрасывании понятий классических пепел и непосредственном использовании основных свойств вещества для выг:0.тксН111 функций системы. Б таком случсе эта фужщик осуществляются без объединения компонентов в системы п без многократного увеличения их количества. На этих принципах основывается отдельное направление шгьреэлектрошгки. получившее название функциональной электроники. Примерами простейших функциональных устройств могут язггться многие из уже существующих приборов, часть которых появилась задолго до того, как проблема возрастающих количеств приобрела такую актуальность. Среди них следует назвать пьезоэлектрические резонаторы, датчики холла, приборы с отрицательным сопротивлением. Широкими функциональными возможностями обладают приборы, основанные на использовании объемных явлений в полупроводниках (диоды Ганна, приборы с зарядовой связью). В этих .устройствах основная энергия рассеивается почти во всем объеме кристалла, поэтому проблемы теплоотвода в них менее серьезны, чем в классических приборах с р-п- переходами.

Для решения проблемы развития функциональной электроники требуется проведение фундаментальных исследований. Многие физические явления в твердом теле необходимо изучить теоретически и экспериментально, прежде чем они будут использованы для создания конкретных функциональных систем.

В настоящее время в радиоэлектронике существует несколько направлений исследований и разработок, основанных на непосредственном использовании известных физических явлений и их взаимодействия, которые потенциально интересны с точки зрения создания в будущем функциональных систем. К таким направлениям относятся: оптоэлектроника, акустоэлектроника, криогенная электроника, молекулярная электроника, теплоэлектроника. Базовым элементом электроники является транзистор, представляющий собой систему двух взаимодействующих р-п-переходов, причем непременным условием такого взаимодействия является достаточно малая толщина базы. Носителем информации: в транзисторе, как i?>eoop?.20F.лт :ль:-*-:м элементе. язллстся электрск:-::-:*! поте?: (э.тй^лгче-лгй ток). Аналсгачго к для ъсех нс.пр^-ЛсМЕГ! Ф"г2алюйПьно?1 электрскл-л характерно нкячие . своего особого элемента, вылолкльошгго преобразовательные функщгп. Ко ет.лг^ггелънсл особенность:-:» каждого направления фуньгЕЮЕазьной элехтрсяшд является испсльзовакле в преобразовательном элементе своего энергегггческ'ого потока. Таг; например, в преобразовательном элементе огпоэлектронпки используется световой поток, в преобразовательном элементе акустоэлектрошзл - акустический поток, в преобразовательном элементе тегпо электроники - тепловой поток и т. п. В структурном отношении все преобразовательные элементы следует рассматривать состоящими из лбух основных элементов: управляющего и управляемого, - связанных между собой передающей средой. Кроме того, все преобразователи функциональной электроники имеют сходный механизм преобразования, с\ть которого, на примере работы оптозлектрического преобразователя- заключается в следующем [2, 3].

I Мощность электрического сигнала поступающего на вход оптоэлехгрического преобразователя, преобразуется в энергию светового сигнала (первая ступень преобразования), а выделяющаяся световая энергия через светопередающую среду передается ко второму - управляемому -элементу, чувствительному к изменению светового потока. Световая энергия преобразуется управляемым элементом в электрический сигнал (вторая ступень преобразования). Практика показывает, что перспективы развития и использования того или иного направления функциональной электроники во многом определяются конструктивными и технологическими возможностями преобразовательного элемента а также физическими свойствами энергетического потока, примененного в конкретном преобразовательном элементе [4].

Так, например, оггтоэлектроника как наиболее развитое направление функциональной электроники, базируется на оптоэлектронных методах получения, передачи и хранения икформапшг. Основой направления является

• загека элзктатежк сзл:^ в Гуадгппсзк::; зл=^т?енз:ых псп.тх o'&zïï-iêïitzzï. ксякбзсьзкзе спткчсских cbâsfeiï 1№32.с£23гг côeciir-еш» полн^.г;. элялричелую развгззу между элементами п узлами радпеетвдлрока:?: устройств, мйлый vsosekb пглгсб ii высокою кздсжксстъ. Пзи этом появляется Г * х * é ^ — возможность г^тшцгппшько по-ковозг.' подожги к конст^лфовакгпо датегратьнзгх схем. Одним из первых ппггов в этом ырлрсБле.-лш явилось создание оптозлектрических пар или оптронов [4], преобразующих электрический сигнал в оптический, а затем снова в электрический, и, соответственно, представхтюших собой сочетание источника света, световода п фотопрнЬшзгка. Оптроны не чувствительны к жкрекию, вибрациям; быстродействие некоторых типов оптроноЕ измеряется наносекундами: напряжение пробоя большинства оптронов лежит в пределах 1 - 5 кВ; ширина рабочей полосы частот превышает 5 МГц. Наиболее радикальным способом миниатхорпзащггг отоэлектр онкых устройств является создание оптических интегральных схем. Благопр^тгствуюилш. фактором оказывается то, что ( многие методы технологии современной интегральной электроники находят прямое иди косвенное применение в технологии создания оптических интегральных схем. Любая оптическая интегральная схема содержит отггрон. поэтом}' решение проблемы миниатюризации оптоэлектронных устройств -это, прежде всего, решение проблемы шшиатюрюации оптрона. В качестве управляющего элемента оптрона доминирующее положение занимают нехоггреягаые источники света - полупроводниковые светокзлучзюшпе диоды. Наиболее распространёнными среди них считаются светодиоды из арсенида галлия и фосфида галлия. Однако для использования в оптических интегральных схемах больше подходят когерентные источники - лазеры. Особое место в оплоэлекгронной технике занимают полупроводниковые лазеры (лазерные диоды на основе р-л-перехода и гетеролереходные диоды).

В качестве управляемого элемента оптрона в настоящее время наиболее перспективными приёмниками света с точки зрения интегральной оптики

•?хпот;ч ф ото ле ге^торы с г—тректсгм фотсэ^фелтсс:: фс:орс:тг:т фс юи-оды <в юмчгхлг даггенкг фотодиоды), фотогряшлары.

Световоды оггпгчсскг-х интегральных схем тиготлзлгл: ль:т ул сзетоп-зоводлшпд плёнок. Сттгчътгрно тонкоплёночные световоды похожи на к А * г 1 епшческг-з г слога?. Попгреч:-:не .размеры их ке превышает кесколшк Наиболее плоско яспользгемьгх полщкводшзившх материалом л. * * * 1 ^ 1 хля создания плёночных светоЕодов является ар с гнид галлия. Таким образен, оптической интегральной схемой является сбывшая микросхема выполненная на кристалле кремния, со встроенным в неё спгроном с помощью плёночной технологш1. Мснокрпстаттяческото варианта изготовления оптических интегральных схем. как это имеет место в классической мщроэдектрошгке. пока что не имеется. но работы в этом перспективном направлении млшгахюрпзашш ото электр онных устройств Еедутся. п развитие опгоэлектронпыг продолжается.

Оптроны н оптические интегральные схемы находят применение в контрольно-измерительной аппаратуре, блоков сопряжения компьютеров и других устройствах и являются практически первыми оптозлектронными приборами, внедрёнными в современную технику. Позднее, за счёт самостоятельного использования элементов оптрона значительно расширилась номенклатура внедряемых в современную технику оптоэлектронных компонентов, Так например, светоднолы (некогерентные источники света), выполняющие роль управляющего элемента в отроках, получили широкое применение в создании и использовании различных цифровых полупроводниковых индикаторов. Лазерные диоды (когерентные источники света) получили широкое применение в развитии отдельного направления ошоэлектроники - оптическото, которое основано на эффектах взаимодействия твёрдого тела со светом. Примерами практической реализации возможностей этого направления оптоэлектроники могут служить оптические запоминающие устройства (ЗУ) большой ёмкости, устройства распознавания образов и управляемые функциональные оптические среды. к сигаческз! ЗУ сн «аз с в-тдюзкостьг::- дс Со.т^гпг^-: глотнсст ей запас г тжформзцзп. у.?дс<£ стжйости и ъъкохгй надежности.

Пквкоами пргкпкесксй юезлг^ашя возможностей чтосгляемою элемента оптронсв - фотодиодов и фототранзисторов могут служить фог^электрпческпе преобразователи (датчики ссвзшЗянеста). фотоэлектрические перегспсчатели, солнечные б агар ел.

Возможности сватсЕодоЕ гораздо шире, чем выполнение функций обыкновенного еветопроводдшего элемента. Меняя толщину световода пли показатель преломления материала световода, можно добиться эффекта, создаваемого линзами и призмами. Неоднородности структуры световодов могут играть роль светоделителей и светоотражателей.

Такта образом, из обшего рассмотрения уровня и плтей развития самого совершенного в настоящее время направления функциональной электроники -оптоэлектроники, можно сформулировать типовые задач::, решаемые на пути развития и совершенствования любого из перечисленных выше направлений 9 функциональной электроники:

- исследование физического явления и связанного с ним энергетического потока, способного заменить электрические связи в традиционных электронных цепях:

- создание базового преобразовательного элемента, подобного по структуре оптрону и пригодного для встраивания в обычные интегральные схемы и устройства микроэлектроники;

- исследование возможных областей применения ъж базового преобразовательного элемента, так и отдельных его компонентов (управляющего элемента, передающей среды и управляемого элемента), а также разработка на их основе приборов и устройств, пригодных для практического использования.

Теплоэлекгроника, проблемам развития которой посвящена данная работа, в ряду перечисленных выше направлений, потенциально интересных с точки зрения создания функциональных систем, находится на последнем ксеону чровяю огзгяпи. И это несмотря на то. чго -головы* : •.•.опессы прлсут:т2ук>т в лхоом устройстве раздоздектрскзд п что : ;.оцессы ПреООрХСБ^Пи! электрической ЗКсрЛПГ в 1-=:г:С2уЮ 3 ШГГЗГрЗЛЬКЫХ .л8М2л и мпкрезлектрокккх устройства:: ¡гзячены до практически ю-: те.тэного совершенства. Отсутствие интереса каукл к тепто электронике об ^скяется тем. что долгое время в электронике тепловые процессы рассмотрит-лись как паразитные явления, поскольку они вызывали тепловую свш;. между компонентой! схемы и неустойчивую работу как отдельного компо;: .-ита так и всей схемы в делом. И хотя в отечественной и зарубежной л:- гературе появляются сообщения об использовании тепловой связи для .оздаяпя низкочастотных интегральных схем, разработчики электронных схем и устройств предпочитают, как и раньше, разрабатывать и внедрять методы, направленные та устранение из схем тепловых связей. Однако сущес\'1 уют не только благоприятные кокстр\тспшные и технологические ире::лосылки внедрения элементов теплоэлехтроникп в традиционные интегратькь:- схемы, но и область эффективного их использования. Благодаря .чзличпю электрических и тепловых процессов в любой интегральной слтме, кет необходимости специального встраивания в неё элементов тешг оэле зл'роники, поскольку любой элемент схемы может быть использован в качестве преобразователя электрической энергии в тепловую и для передачи её близлежащим элементам. Таким образом, осуществление фзнкщй преобразования и передачи теплового сигнала в обычной интегральной схеме можно обеспечить благодаря использованию электрических и тепловых процессов в специально подобранных областях полуироводг-лшового кристалла с интегральной схемой. С другой стороны, тетшоэлекглтческие процессы обладают значительной инерционностью, что позволяет использовать простой метод реализации больших постоянных времени в физически малых объёмах. Таким образом, использование инер тлюкных тепловых процессов для линейного преобразования сигнала позе :ляет не низких частотах !мж; 100 Гц), "но и оФосядояъ область эффвкпзнзгз' применения теше-Электре:-^«:. О^гсо. в настоящее рргш кг существует тепло электроники, как самостоятельного направления ф>лЩиока"БНой электрокш:п. поскольку в технике отсутствует базовый интегральный пр е с бр ^сеатг.тькьй элемент. акатепгчньгГг оятроку в оптозлехтронгке. Назовем его «теплотрон». Как было отмечено выше, по своей структуре теплотрон аналогичен оптрону. Поэтому работа посвященная основам создания базового интегрального преобразовательного элемента теплозлектрошгкп и на его основе лешоэлсъггроккых приборов и устройств, обеспечивающих подавление б микроэлектронике нового направления функциональной электроники - теплоэлектрониыг. ягляется не только актуальной, но и новой.

Анализ основных направлений исследования н .разработок в области теплсзлсктроншл!

1.1. Полупроводниковые теплозлектрпческие преобразователи на основе поликрясталляческих терморезясторов По луттр оводнтЕКОВые терморезисторы., вьгггускаемые промытекностъю, являются самьпп! распространенными изделиями, которые стати использоваться в качестве теплоэлектрических преобразователей. По своему прямому назначению полупроводниковые терморезисторы используются для преобразования изменений температуры в изменение электрического сигнала. Прнншш преобразования заключается в том, что при изменении температуры тела- терморезистора изменяется его электрическое сопротивление,. приБОХизег к изменению паления налряз: етш т терморетстсре при протекании через него постоянного электр1Гческего тока [5]. Таким образом, эффективность преобразования терморезисторов зависит от того, насколько сильно зависит сопротивление используемого для изготовления терморезкстора материала полупроводника при изменении его температуры. Тело терморезпстора является его термочувствительным элементом (ТЭ), а его электрическое сопротивление - термочувствительным параметром (ТП). Поэтому для изготовления терморезисторов выбираются полупроводниковые материалы, образующие повышенным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Наиболее распространены в настоящее время терморезисторы с поликристашическим ТЭ на медно-марганпевых и кобатьто-марганцевых полупроводниковых композициях.

По значению ТКС терморезисторы можно разделить на два класса -приборы с отрицательным и положительным ТКС. Приборы с положительным ТКС называют полупроводниковыми позисторами. Для них характерно резкое увеличение сопротивления ТЭ в узком диапазоне температур.

Как бьпо отмечено ео введении. тетпоэ л ехтр::че ский преобразователь должен состоять из управляющею элемента. обеспгчгвакщего преобразование энергии электрического сигнала в тепловою энергию, ш теплопровода, обеспечивающего переда^/ тепловой энергии от управляющего элемента к управляемому, п из управляемого элемента, преобразующего тепловоз энергию в электрическую энергию выходного сигнала. Поэтом}' для использования: терморезисторов в качестве тетиоэлектрических преобразователей необходимо бшо ввести в конструкцию терморезпстора спещхальный нагревательный элемент, имеющий тепловой контакт с полупрово дшковъы ТЭ. Конструктивно требованиям теплоэлектрнческого преобразователя, как базового элемента теплоэлектроникн, удовлетворяли выпускаемые промышленностью полупроводниковые терморезисторы с косвенным подогревом [в, 7]. Они состоят из ТЭ и нагревателя (обычно спирали подогрева), разделённых даэлеиряческпм материалом, через который проходит тепловой поток от нагревателя к ТЭ (рис. 1а).

Рис.1 Конструкция теплоэлектрнческого преобразователя на основе терморезистора косвенного подогрева (а) н его структурная схема (б): 1 - преобразователь электрической энергии входного сигнала в тепловую; 2 -теплопередающий элемент; 3 - преобразователь тепловой энергии в энергию входного сигнала; 4,5 - источники питания преобразователей.

Мощность, выделяющаяся в нагревателе при протекании по нему электрическою тока, создаёт температурное поле, при изменении которого V с изменяются температура ТЭ и его электрическое сопротивление. Диэлектричесый материал разделяет ^развязывает') утфгвлякяцую цепь от управляемой.

Структурная схема терморезистора косвенного подогрева, используемого в качестве теплоз л ектрпческого преобразователя, приведена на рис. 16. Тектоэлеглрическгй преобразователь на основе терморезистора косвенного подогрева можно описать совокупностью статических и динамических характеристик. Статические характеристики устанавливают стационарною связь между параметрами управляющей и управляемой цепей. При анализе и расчете статических и джаштческих характеристик температуру окружающей среды и другие внешние факторы, влияющие на температуру ТЭ, будем считать постоянными. Рассмотрим статические характеристики теплоэлектртгческих преобразователей на основе терморезисторов косвенного подогрева [5, 8]. Температурная характеристика определяет зависимость сопротивления ТЭ от температуры. Эту зависимость хорошо аппроксимирует аналитическое выражение: где - электрическое сопротивление ТЭ;

А, у, В - константы, определяемые свойствами полупроводникового материала, из которого изготовлен ТЭ, и его конструкций; В=Ш2К (ДЕ - энергия активации; К - постоянная Больцмана).

Поскольку }«1, в большинстве случаев при расчётах можно использовать выражение (1)

При Т = °° получим Ятэ = А = Я®, аналитическое выражение температурной характеристики при этом

1$Д1Э=1пЛв+|. (2)

Урагнекпе < 2) при постоянстве козффпшгентоз ?:• п В представляют собой уравнение прямой. Температурная характеристика преобразователя (рлс. 2) строится для различных тнпог териорезлсторез с косвенным подогревом по данным измерег-дгй сопротивления ТЭ, помещенного в термостат и находящегося в тепловом равновесии с окружающей средой.

Рис.2 Температурные характеристики теплоэлектрических преобразователей на основе терморезисторов косвенного подогрева типаТКП-50 и ТКП-300.

Для вычисления значений Я» и В результаты изменений ^ и Т представляют в виде точек, нанесенных в координатах 1п 1/Т. По наклону проведенной линии определяют значение В.

3)

Где Ян и Яп - сопротивления ТЭ при температурах Ъ и Т2.

Для интервала температур, в котором зависимость является линейной,

Решая относительно In Rx эту систему, получаем г. In • 7t - fo Rz ■ Г2 я" "-со--- ~

Тх -1 2

Из уравнения (1) следует, что сопротивление 13 с ростом температура уменьшается. Вследствие келтгкейгости уравнения (I) скорость изменения сопротивления с изменением температуры dR-ydT непостоянна и зависит от Т. с.-;— Е

-— —--г- • R-rn. = Ci-r, • d~ Г2 '

Температурным коэФФшгиентС'Ы с сиротив лекпл ТЭ преобразователя называют величину' = -В/Р, характершующую чувствительность сопротивления ТЭ к изменению температуры.

Статистическая вольтамперная характеристика определяет зависимость тока, протекающего через ТЭ. От приложенного к нему направления в условиях теплового равновесия между ТЭ и внешней средой. Вид вольтамперной характеристик?! ТЭ определяется его электрическим сопротивлением, параметрами полупроводникового материала, средой, в которую помещен ТЭ, ее температурой и степенью тепловой связи с внешней средой. Вольтамперная характеристика прибора зависит также от значения тока, протекающего в цепи подогрева (рис. 3). При прохождении тока через ТЭ в нем выделяется тепло (I2 R„) и он разогревается. Поскольку электрическое сопротивление R„ зависит от температуры, мощность выделяемая в ТЭ при значении мощности, рассеиваемой в нагревателе, Рп = О, также зависит от температуры р. r2 n г2 п. (4)

Мощность Rn в окружающую среду. В условиях стационарного режима

5) где RT - коэффициент теплообмена, а Т - температура ТЭ с учетом его нагрева рассеиваемой мощностью R„. Значение измеренных тока и напряжения. соответствующие эгоГе тгмперзтуре. определяет координаты точек ляшчгской вольтамперкой Харйктеру.стшс! (рис. 3>).

Рнс.З Вольтамперные характеристики теплоэлектрического преобразователя на основе терморезнстора косвенного подогрева типа СТ1-21 (1^,= кОм, Т0= 2*3С). Статзгческая характеристика ЯТД=А1А или Е.ТЭ=Г(РП), при Ргэ в качестве параметра (рис. 4) устанавливает связь между сопротивлением ТЭ л мощностью, рассеиваемой в нагревателе. Отметим, что, несмотря на малый ТКС обмотки подогрева, ее сопротивление изменяется с изменением температуры ТЭ. Мощность Рп поэтому имеет различные значения в различных точках статической вольг-ампероной характеристики, даже если ток подогрева постоянен.

По семейству вольтамперных характеристик преобразователя, снятых при различных токах подогрева, и по зависимости Я^Щп) можно получить ОМ-амперные характеристики зависимость сопротивления ТЭ от напряжения л управляемой дели

Превышение 8П температуры ТЭ над температурой окружающей среды, обусловленное током подогрева, зависит от конструктивных параметров прибора (сопротивления обмотки подогрева, теплоемкости рабочего тела ТЭ, условия теплопроводности между рабочим телом и обмоткой подогрева). и

Ч ;

VacairreOTcmv G- = fil-) пссгтазот из зависимости R„=f(I-} Tj=consi n

4 A * Л " * температуркой характеристики Rr.(T) (pire. 4,6). При известной зависимости телшэрагурьг ТЭ от тока б цели подогрева действия тока можно заменить эквпваленхкым ему изменением температуры ТЭ.

В-тэ- г

J / \

У V 'чэ тТ \ ""к \ \ 1 \ \ 1 X J

VA.rx/r-1 "Л \

О ' 29 W 60 50 Р, мВт Д2

Рис. 4 Подогревные характеристики теплоэлектрическнх преобразователей на терморезисторах с косвенным подогревом типа СТ1 и СТЗ-21 (а) и определение параметров по подогревной характеристике (б).

КозсЬФтшент тепловой связи преобразователя. Цри рассмотрение статических к динамических свойств цепей с преобразователями и переходных процессов в этих цепях принимается, что температурное поле ТЭ прибора в каждый момент времени характеризуется температурой Т, которая определяется уравнением

11Э

Из-за конструктивных особенностей преобразователей - наличие изолирующей оболочки между ТЭ и обмоткой подотрева - температура внешней (тешюотдающей) поверхности отличается от температуры ТЭ на значение перепада температуры в защитном слое. Натичие перепада необходимо учитывать при рассмотрении нестационарных процессов в цепях с преоор^ов-атс.тъи.

В стздтгокарнсм состоянии прпбор находится в состоящей тер.модгшаз.пгческого равновесия (рассеиваемая мощность Ра равна мощности, подводимой Р). Подводимая .мощность состоит из двух частей: мощности РТ5. подводгшой к ТЭ из управляемой цепи, и мощности Р-, выделяющейся в обмотке нагревателя. Некоторая доля (I - у) Рп теряется в частях нагреватехт, которые не имеют прямого контакта с ТЭ; V - коэффициент тепловой связи (коэффициент полезного действия); V определяют из уравнения баланса мощностей в стационарном состоянии Р = уР3 + Ргз= Р„ тю двум парам величин: Р„:, Р-^ и Р^. соответствующим одному и тому же значению Р„, так как в стационарном состоянии Ра=Р:з-\Рп;, Ра=Ртэ2"^Рл2 или Рн^РвРРпгК'Рвг; отсюда

Из уравнения (6) с учетом малых изменений Ргз и Рп р.

ТЭ

7)

Выражение (7) используют для определения коэффициента полезного действия (КПД) нагревателя, он равен отношению малых изменений мощностей ТЭ и нагревателя, выбранных так, чтобы сопротивление ТЭ оставалось неизменным.

Для Рп2=0, Ртэ1=0 из (10) у=Р1Э/Рп, т.е. у - отношение мощностей при прямом и косвенном обогревах, соответствующих одному и тому же сопротивлению ТЭ, его определяют графически (рис. 1.5) из характеристик РП=^(Т) и Р„=ДТ) как отношение мощностей, соответствующих одной температуре. Данные характеристики получают из уравнения баланса мощностей в стационарном состоянии (5) для Р га=0 и Ря=0.

Ртэ Рп, *8т 29 . с хГ т сс) п в

4 /) /

А/у л г / ' 1 .1 . 1 Ш п т тгсс

Рис. 5 Зависимость между подводимой к теплоэлектрическому преобразователю мощностью и температурой: а - для ТКП - 300 (1 - Ра«0; 2 - Ра = 0; 3 - Ря при 1а= 15 мА); 5 - для ТКП - 50 (1 - Р==0; 2 -Ра = 0; 3 - Ря при ¡п= 10 мА)

Из рис. 5 видно, что зависимости Ртэ и Рл от температуры практически линейны. Следовательно, V - постоянно и не зависит от условий работы прибора. Поскольку зависимость РтэРО практически линейна, можно сделать допущение о постоянстве коэффициента теплообмена Лт уравнении (3), которое запишем так:

V = V (/-Го)- е* Ра = • (г- г,,-^. РХЛт .(Г-Т9) кт )

Итак, мощность подо!рева по своему действию идентична изменению темпершуры окружающей среды на значение ъР*>Рт. Зависимости Р^Д7) для различных значений тока подогрева приведены на рис. 5. Из рисунка видно, что коэффициент теплообмена Ит не зависит от температуры, так как зависимости Ргэ=1(Т}Рп парашельны, а определяется как тангенс угаа наклона прямой к оси абсцисс.

Уравнение нреобрсгзоеглил ТЭ прибора. Б стаппонарном состоянии для преобразователя справедливо уравнение

Из (в) с

Г = То. + —~ с

Лг {*)

Подставляя выражение (9) в формулу сопротивления и принимая V "-г = затешем Ктэ так: п - г В ^ Р^-ирВ I? .¡¡я—. . *хп1-1 =---- 00 *"

ПрИ ЫаЛЫХ ЗКа.Чс1и'1£Х ТО'Ка Чср"£3 ТЭ, КОГДй &ТЭ ** ® ^ Б форЗТ}.1с'

-сопротивления можно -пренеоречь членом тогда ангжннеское выражение зависимости В.тэ = ДР-) получаем в следующем виде: ' 3

Г0 + и.Тгя

Зависимость сопротивления ТЭ от токоподогрева используют для определения В и Р^. Для тепло электрического преобразователя это удобно, так как при снятии температурных характеристик путем термостатирования могут быть внесены большие погрешности из-за конструктивных особенностей прибора (наличие баллона, наполненного инертным газом, и т. п.). У

Для определения В и используем уравнение (10), в котором неизвестные параметры В, Е^ и и определяем из экспериментальной зависимости Ятэ от Рп при условии, что два параметра взаимосвязаны. Полагая в/

Рц=0, получаем связь между Р^ и В: Р^ = , и тогда уравнение р-ш

-ехр

Г Л »'^я

И) содержит два неизвестных параметра. Прологарифмировав уравнение (11) п введя обозначения 1п (Я„.'К:зс) = X: Р.,= V; М = -Т-/В: К = -Т'о(уВ.). получим У = Х \МХ.) + К.

Для полученного уравнения по теории ошибок имеем следующие значения параметров: 1 1 1 * 1 У —V —- V —' V '—' \"У —< V*.- —' V2 эд В»1 1 Я»: Л-1 1 . Г»1 ^ 1Я-. ;

VI'

-.у-1 VI

Л 1 л-: Л яч х где 5- число экспериментальных измерений.

Аналогично коэффициенту ТКС при исследовании уравнения сопротивления ТЭ важен коэффициент, характеризующий чувствительность относительного изменения сопротивления, обусловленного изменением рассеиваемой мощности:

1 ДЦ о =---—

Так как Ртэ и Ятэ зависят от температуры, можно записать

5 Л Г^П ^

Л^Э и. ¿чл^;

У теплоэлектрическнх преобразователей различают два мощностных коэффициента сопротивления: о^ к &п, которые определяются соответственно лри неизменной мощности, выделяющейся в нагревателе и в ТЭ.

Чувствительность сопротивления ТЭ к изменению мощности Рп определим в следующем виде: ±ча

7Э ^п

Запишем щ так: в

1 - л ч — лв +- '¿у? я) ктэ ■'о ргРп+7аУ

Чут ствительность сопротивления к изменению мощности Ртз при Рп-0 кт Рл = cor.it аналогично будет раЕна

Таким образом, - о вследствие чего чувствительность сопротивления ТЭ к изменению мощности, рассеиваемой в нагревателе, в о раз меньше (и<1), чем к изменению мощности, рассеиваемой в ТЭ.

Как правило, переходные процессы в цепях с теплоэлекгрическимп преобразователями описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами, которые выражаются через статические и динамические параметры ТЭ и электрической цепи. Часть динамических параметров может быть определена по данным статических вольтамперных характеристик. Основные динамические параметры следующие.

Динамическое сопротивление Яд определяется ко статической вольт-амперной характеристике как тангенс утла наклона касательной в заданной точке характеристики к оси абсцисс.

Коэффициент относительной чувствительности по мощности I определяется как отношение относительного приращения сопротивления ТЭ к вызываемому его относительному изменению мощности рассеяния: 1 = -^?.ТЭ/ЯТЭ)/{с1Р/Р). Для фиксированной • точки а статической вольтамперной характеристики в установившемся режиме РЛ = р^ запишем

Коэффициент I определяют по данным статической Я—Р характеристики как тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс; численное значение коэффициента показывает значение относительного приращения можно также определить по данным craiinscxoft волы-амперной харахт epiicTin-^i: с

ПодстаЕ.хи значения i'I и Pa=Ul в выражение для L, имеем ь =

Приведенное выражение показывает зависимость между коэффициентом L и дпказ.ягчесьзш сопротивлением. В точке максимума на статической вольт-амперной характеристике Ыд. = О, L=l; в начале координат R.= Rt3hL=0.

Объемная теплоемкость Q,=/(T) -dW.'clT однозначно определяется температурой Г прибора; С, равна энергии, которую необходимо затратить, чтобы изменить температуру лрнбдра на 1°БС

Динамический коэффициент рассеяния F^=J(T—Tc)=dPJdT определяется температурой ТЭ Г, температурой окружающей среды Тс и зависит от площади и состояния теплоотдающей поверхности. Динамический коэффициент рассеяния численно равен изменению мощности рассеяния, вызывающему изменение температуры ТЭ на 1 К, и определяется из графика Prh=f(T) (см. рис. 5) как тангенс утла наклона касательной к оси ординат. Если Ра =/{1) —линейная функция, то - Fcr = PJ(T—Tq). Обычно на практике FR и Cv термоэлектрического преобразователя полагают не зависящими от температуры.

Тепловая постоянная времени тепйоэлектрического преобразователя определяется как т = Cv / R г . Она характеризует процесс установления температуры прибора. Для теплоэлектрических преобразователей вводят две постоянные времени: — характеризующую общую инерционность прибора и т2 — характеризующую скорость установления теплового равновесия между подогревателем п ТЭ. Отношение г./г, представхтет собой дгкаг'.ишескгй параметр D: D=tlir1. При увеличении D прибор быстрее реагирует ка изменение мощности в нагревателе.

Коэффициент К характеризует тепловую связь между ТЭ и нагревателем, он равен соотношению мощностей необходимых ддя разогрева ТЭ до температуры +50° С при прямом Рп? и косвенном Рк нагреве: К—Р,р!?к.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработаны теоретические основы создания электронных приборов и устройств с тепловой связью с использованием микроминиатюрных транзисторных структур, выполняемых методоми интегральной технологии.

2. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований в области конструирования и применения полупроводниковых терморезисторов с косвенным подогревом и транзисторных преобразователей температуры разработаны новые виды термоэлектрических преобразователей - теплотроны, и изучены их функциональные характеристики.

3. Изучены процессы выделения тепла в полупроводниковых структурах с р-п -переходами при прохождении через них токов, порядка единиц и долей миллиампера. Установлено, что в объёме полупроводника, по которому протекает ток, кроме источника тепла, создаваемого внешним напряжением смещения, появляются дополнительные источники тепла, локализованные в местах генерации и рекомбинации носителей заряда. Определены математические выражения для этих источников. Показано, что разность температур за счёт этого своеобразного переноса тепла может достигать 10°С и что для расчёта выделяемой тепловой мощности в полупроводниках с р-п -переходами исходных данных при составлении и решении уравнения теплопроводимости уже недостаточно. Нужно, для обеспечения необходимой точности, учитывать особенности выделения тепла при протекании тока через р-п -переходы. По результатам вычислений определены структура (транзисторная) и схемотехническое решение (схема включения с общей базой) преобразователя электрической мощности в тепловую, пригодного для работы в микросхемах.

4. Разработана модель замещения электрических связей в микросхемах на тепловые связи с учётом особенностей выделения тепла при протеканий тока через р-п -переходы и определены требования к режимам преобразования электрической мощности в тепловую и тепловой мощности в электрическую в микросхемах.

5. Исследованы косвенные методы измерения температуры в транзисторах. Установлено, что все известные методы усредняют результат измерения по объёму генерации используемого в них термочувствительного параметра и по этой причине малоэффективны при измерении температуры локализованных источников тепла в транзисторах из-за возможных значительных погрешностей. На основе проведенных исследований разработан более эффективный метод измерения температуры в транзисторах, который применён для экспериментального обоснования оптимальности выбора транзисторной структуры в качестве преобразователя электрической мощности в тепловую и режима её работы, исключающего влияние дополнительных источников на температуру основного источника тепла. Метод основан на использовании - Л 2) = (^вх2 - и^От^п - (Уюй - ^¡вх\)т=т2 в качестве термочувствительного параметра транзистора, включённого по схеме с общей базой. Показано, что для двух значений входных токов разность

А] - Д2) = (Г2 - Т/) к/я 1п1Е2/1е1 прямо пропорциональна изменению температуры в диапазоне от минус 50°С до плюс 100°С и не зависит от свойств полупроводника и технологии изготовления транзистора.

6. Разработан на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований транзисторных преобразователей температуры интегральный вариант преобразователя тепловой мощности в электрическую, представляющий собой транзистор, включённый по схеме с общей базой с прямосмещёнными р-п -переходами и использующий в качестве термочувствительного параметра - "плавающий потенциал" на коллекторе, при условии подключения эмиттера к генератору постоянного тока. Показано, что данный преобразователь обладает линейностью характеристики преобразования в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 100°С не хуже +1%, чувствительностью к температуре не хуже +0,1 °С и пригоден для работы в составе теплотрона.

7. Создана схема интегрального теплоэлектрического преобразователя-теплотрона, на основе разработанных схемотехнических решений для транзисторных преобразователей электрической мощности в тепловую и тепловой в электрическую.

8. Установлена, в результате анализа серийно выпускаемых отечественной промышленностью полупроводниковых приборов и микросхем, номенклатура полупроводниковых структур с ^-«-переходами, пригодных для практической реализации схемы теплотрона, а именно: транзистор КТ118, микросхемы серий 159,

162, 198, 119 и др. Показано, что разработанные физические основы и схемотехнические решения теплотрона легко реализуются с помощью известных методов интегральной технологии.

9. Разработаны на основе схемотехнических решений теплотрона твёрдотельные усилители с электрической развязкой входной и выходной цепей, микроминиатюрные генераторы с прямоугольной и пилообразной формой импульсов в диапазоне частот от десятков до долей герц и прецизионные источники опорного напряжения, выполненных широко используемыми методами построения полупроводниковых электронных устройств.

10. На основе преобразователя тепловой мощности в электрическую (выходного элемента интегрального варианта теплотрона), использующего в качестве чувствительного параметра "плавающий потенциал" на коллекторном переходе, разработаны схемотехнические решения дискретных датчиков температуры, давления, освещённости на практические диапазоны измерений, с линейными характеристиками преобразования.

11. Разработаны теоретические основы выполнения многофункционального электронного прибора в твёрдотельном исполнении для контроля температуры, давления, освещённости с использованием интегральных транзисторных структур с тепловой связью. Показана возможность практической реализации прибора известными методами интегральной технологии.

12. Определены некоторые области применения элементов и устройств интегральной теплоэлектроники, связанные с разработкой и внедрением электронных систем сбора данных и систем диагностирования объектов. Использование разработанных датчиков физических величин, усилителей с электрической развязкой, источников опорного напряжения в системах диагностического контроля качества выпускаемой продукции позволило получить в отрасли суммарный экономический эффект, согласно Указанию МЭП №У - 344, в размере 5,24 млн. руб. (в ценах 1990 года.)

Заключение

Если в раздела." 1.4 и 1.6 данной работы рассмотрены возможные области применения теллоэлектрических преобразователей, которые базируются на замене электрических сопротивлений и емкостей на тепловые сопротивления и емкости, что позволяет строить малогабаритные электронные устройства на очень низкие рабочие частоты (от десятков до долей герпа) - это фильтры низких частот, генераторные устройства с длительностью выходного сигнала до нескольких десятков секунд, то в главе 5 данной работы рассмотрены наиболее важные области применения теллоэлектрических преобразователей, связанные с такими их характеристиками, как линейность уравнения преобразования и взаимозаменяемость. Применение преобразователей, усилителей и датчиков на основе элементов теплотрона в электронных многоканальных системах сбора данных позволяет обеспечить не только идентичность каналов, но и всей системы в делом. А это означает, что система сбора данных кроме измерительных функций может выполнять и функции диагностирования объектов. Что же касается разработанного автором шогофункционального датчика то, как следует из содержания раздела 5.3, он изготовлен в соответствии с современными требованиями к новейшим разработкам в области датчиков и может с успехом применяться не только в негодном хозяйстве, но и в такой отрасли промышленности, как ВВТ.

1. Громов B.C. Фотоэлектронные приборы. Обзор по материалам иностранной печати. Радиоэлектроника в 1967г., НИИЭИР, 1968, 15с.

2. Громов B.C. Фотоэлектронные приборы. Обзор по материалам иностранной печати. Радиоэлектроника в 1969г., НИИЭИР, 1970, 15с.

3. Свечников C.B., Олексенко П.Ф. Элементарные оптроны. В сб. "Полупроводниковые приборы и их применение", под ред. Я.А.Федотова. М: Сов. Радио, вып.25,1971, с. 226-245.

4. Зайцев Ю.В., Громов B.C., Григораш Т.С Полупроводниковые • термоэлектрические преобразователи. М.: Радио и связь, 1985, 120с.

5. Шефшель ИТ. Терморезисторы. М.: Наука, 1973. 416с.

6. Касперович A.C. Терморезисторы косвенного подогрева.-Минск: Наука и техника, 1966. 92с.

7. Крнвоносов А.И, Кауфман В.Я. Статические характеристики поликристалл ических терморезисторов. М: Энергия, 1976. - 120с.

8. МартюшовК.И, Зайцев ЮБ. Нелинейные полупроводниковые резисторы. -М.: Энергия, 1968. 192с.

9. Мартюшов КН., Зайцев Ю.В. Технология производства резисторов. -М.'.Высшая школа, 1972. 239с.

10. Криксров B.C. и др. Исследование электрических параметре® окисных материалов. Электронная техника. Сер. Материалы, вып.6,1970, с. 86-90.

11. Марченко А.Н. н др. Кремниевые тгрмоуправляемыс резисторы. -Электронная т^уу.ул, 1977, вып. 5i24), ctp. 5, с. 56-62.

12. Зайцев Ю.В„ Марченко А.Н. Тихонов А.И. К'расчету прецизионных резисторов. Электронная техника. Сер. S, 1972. вып. 3.

13. Мартюшов К JI. и др. Методы расчета резисторов. М.: Энергия, 1970. - 204

14. Громов B.C. Методы и аппаратура для определения температуры коллекторного р-п-прехода. МЭП СССР.: Обзоры по электронной технике. Сер. Полупроводниковые приборы, 1970, вып 8(239), 20с.

15. ШорникоЕ Е.А Электронные приборы для контроля и автоматического регулирования температуры. -М.: Энергия, 1964.

16. Макнамара. Полупроводниковые диоды и транзисторы как электрические термометры. Приборы для научных исследований, 1962, Л»3, с. 66-70.

17. Громов B.C., Куралесов В.И. Измеритель температуры элементов полупроводниковых приборов. МЭП. Информационно-справочный листок, серия 2, №002033,1972,- 2с.

18. Громов B.C. Полупроводниковые датчики для современных измерителей температуры. Электронная техника, серия 8, вып. 8,1976, 6с.

19. Горюнов Н.Н., ОвечкинЮ.А., Толкачева Я.А., Феоктистов Ю.Ф. АН СССР. Приборы и техника эксперимента, 1966, №2, с. 73-88.

20. Frazier H.D. "IEEE Wescon Technicalpapers", 1963, vol. 5, pt. 1, pp. 1-10.

21. JoderR. "EDN", 1965, vol. 10, N5, pp. 110-121.

22. Vanzetti R. "EDN", 1965, vol. 10, v 11, NS, pp. 42-47.

23. Peterman D. and Workman W. "Microelectronics and Reliability", 1967, vol. 6, XI, N4, pp .307-315.

24. Вятич M.A, Аронович P.M., Фукс-Рабинович И.В. "Вопросы радиоэлектроники", сер. Общетехническая, 1967, т. 27, с. 89.

25. Орнаг Е.К., Соловьев Н.И., Арановнч P.M. "Обмен опытом в электронной промышленности", 1969, вып. 3, с. 69-71.

26. Громов B.C. Установка для измерения RT транзисторов по прямому падению напряжения на переходе. Информационно-справочный листок. ЦКИИТЭПН, Xs0123229,YI, 1967,4с.

27. Громов B.C. 1Ьмерение температуры в полевых транзисторах МЭП. Информационно-справочный листок. Серия "Полупроводниковые приборы", ЦНШГГЗИН, №000593,1969, 6с.

28. Громов B.C. Измерение температуры в тиристорах. МЭП. Информационно-справочный листок. Серия "Полупроводниковые приборы", ЖЮ1111,1970, 2с.

29. Громов B.C., Гуртиков B.IL Установка для измерения теплофизических параметров полупроводниковых приборов. МЭИ Информационно-справочный-листок №001536, Серия 2,1971, 7с.

30. Ivan О. Nielson "Solid-State Technology", 1969, X, pp. 53-57.

31. Громов B.C., Годов AH, Горюнов H.H. Оценка надежности транзисторов по максимальной температуре коллекторного перехода. Стандарты и качество, Jsal 1, 1969,-9с.

32. Громов B.C., КарнееваР.Т. Исследование тепловых процессов в планарных транзисторах. Электронная техника, Серия 2, вып. 1,1970, 10с.

33. ГромоЕ B.C., Кузнецова В.Г. Измерение теплофизических характеристик полупроводниковых приборов. М.: Электронная промышленность, вып.1,19S1, с. 79-86.

34. Громов B.C., Горюнов Н.Н., Кузнецова В.Г. Теплофнзические методы контроля полупроводниковых приборов. -М.: Электронная промышленность, вып. 2.1972, с. 18-21.

35. Громов B.C., Николаевский И.О. "Электронная техника", сер.2 "Полу проводниковые приборы", 196", вып. 4, с. 2S1-289.

36. Степаненко И.П. "Основы теории транзисторов и транзисторных схем". М, Энергия, 1967, 617с.

37. Simpson J. Н. "Semiconductor Products", 1964, N 9, pp. 22-25, N10, pp. 36-39. H 43]. Громов B.C., Перельман Б л. "Полупроводниковые приборы и ихприменение". Сб. ст. под ред. Я А. Федотова, М: Сов. Радио, вып. 18,1967, с. 7179.

38. Аронов В.Л., Козлов В.А. "Полупроводниковые приборы и их применение", Сб. ст. под ред. Я. А. Федотова, М.: Сов. Радио, вып. 14,1965, с. 72-94.

39. Ройзин НА!., Маркович МП "Известия вузов. Радиотехника", 1961, №3, с. 341-343.

40. Rex Ivins. "Motorola Semiconductor Products Inc.", Technical information Note, 1966.

41. McLaughlin M.H, Fitzroy N.D. Thermal chip evaluation of 1С packaging. IEEE Trans. Parts, Hybrids and Packag., 1972, v. 8, N 3, pp.39-44.

42. Закс Д.И., Наумов Н.М Тепловая связь в интегральных схемах. Известия вузов, "Радиоэлектроника", т. XIV, 1971, № 11, с. 1304-1311.

43. Louvv W.J., Hamilton D.J., Kerwin W.J. IEEE tit. Solid State circuits, vol. SC-12. N4, August 1977. pp. 416-424.

44. Наумов H.M., Закс Д.II. Авторское свидетельство Ха 2Т078.\ кл. 21а 36-02. Заявлено GS.0~.6S. Бюллетень изобретении, 1970, Хз 17.

45. Ott W.E. Monolithic converter augments ac-measuremerî capabilities. Electronics, N 2,1975, pp. 79-S3.

46. Давидов П. Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1967, -143с.

47. ЮдаевБ.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1973. -358с.

48. Краснлов A.B., Трутко А.Ф. Методы расчета транзисторов М.: Сов. Радио, 1963.- 258с.

49. Курносов B.C. и др. Материалы дтя полупроводниковых приборов и интегральных схем М.: Высшая школа, 1975. - 342с.

50. Громов B.C. Сравнительная оценка способов измерения транзисторов.• Информационно-справочный листок. Серия : Полупроводниковые приборы, ЦНИИ "Электроника", ta 000601,1969,4с.

51. Громов B.C., КарнееваР.Т. Методы определения теплового сопротивления малошумящих транзисторов. Информационно-справочный листок. Серия: Полупроводниковые приборы, ЦНИИ "Электроника", № 012237,1967, Зс.

52. Митнк B.C., Крыжалоьсхнй Ю.А. Зависимость статического коэффициента усиления транзисторов от температуры. "Полупроводниковые приборы и их применение", сб. ст. под рел. ЯЛ. Федотова, -М: Сев радио, вып. 24,1970, с. 3-1

53. Громов B.C., Крпвонссов AIL Утямышев Р.И. УстроГ'ство для измерения температуры. Комитет по делам изобретений и открытий при СМ СССР. Авторское свидетельство Xs 36139S. Опубликовано в бюллетене X* 1,1973, Зс.

54. Громов B.C., Славгородский В.И. Транзисторный теплоэлектрический преобразователь. Электронная техника, серия 2, вып. 3,1975,7с.

55. Функциональные устройства на микросхемах. Под ред. В.З. Найдерова, М. Радио и связь, 1985, - 200с.

56. Громов B.C., Калашникова НИ, МеделяноБский АН. Устройство для измерения температуры. Комитет по делам изобретений и открытий при СМ СССР. Авторское свидетельство Vo 528461. Опубликовано в бюллетене Xs 34, 1976, 2с.

57. Нванов-Есипович НК. Технология микросхем. М.: Высшая школа, 1972, -256с.

58. Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Тарабрина Б.В., М.: Энергоатомиздат, 1985, -528с.

59. Громов B.C., Кукса Ю.Н. Тепловая развязка потенциалов в системах сбора данных: Электроника: НТБ, 2003, № 6, с. 38-39.

60. Громов B.C., Григораш Т.С. Твердотельный усилитель с тепловой связью. Комитет по делам изобретений и открытий при СМ СССР. Авторское свидетельство № 1564710. Опубликовано в бюллетене № 18,1990, Зс.

61. Суранг ИБ. Теплоэлектрические характеристики системы полупроводниковый прибор окружающая среда. В сб. "Полупроводниковые приборы и их применение", под ред. Я. А Федотова. - М.: Сов. радио, вып. 24, 1970, с. 126-134.

62. О. Матцен В.Т. КГидоуз P.A. Низкочастотные интегральные схемы на теплопередаюших элементах. Электроника (русский пер.). 1964, 21, с. 1S-21.

63. Мухин В.П. Исследование свойств электротеплового контура. В сб. "Полупроводниковые приборы и их применение", под ред. Я.А. Федотова. М.: Сов. радио, вып. 24,1970, с. 214-225.

64. Громов B.C. Источник питания. Комитет по делам изобретений и открытий при СМ СССР. Авторское свидетельство X« 4S0068. Опубликовано в бюллетене 29,1975,2с.

65. Р. Марк Стнтт. Прецизионный источник опорного напряжения, не требующий терморегулирования. Электроника (русский пер.), 1983, №23, с. 72-76.

66. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М: Энергоатомиздат, 1983,- 217с.

67. Проектирование датчиков для измерения механических величин, под общей ред. ЕЛ. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979,314с.

68. Полякова А.Л, Шкловская-Корди В.В. Влияние деформаций на свойства кремниевых р-п-переходов. Физика твердого тела, 1966, *,№ 1, с. 208-215.

69. Роджер Аллеи. Новые области применения кремниевых полупроводниковых датчиков. Электроника (пер. с англ), 1980, 3 24, с. 2841.

70. Зайес, Хэар. Интегральный датчик давления. Электроника (пер. с англ.), 1972, № 25, с. 26-34.

71. SI. Em плов B.C. Действие излучений на полупроводники. М.: Физматгнз, 1963, 264с.

72. Рывкин СМ. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. -М: Физмгптиз, 1963,496с.

73. S3. Амброзях А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов. Пер. с польского, под ред. Б.Т. Коломийца. М: Советское радио, 1970,392с.

74. Громов B.C. Способ измерения и регистрации физических величин и устройство для его осуществления. Комитет РФ по патентам и товарным знакам. Патент Хз 204S02S, 1995.

75. Ефимов И.Е., Козырь И Л Основы микроэлектроники. М.: Связь, 1975. -272с.

76. Громов B.C., Власов Д.Г. Использование транзистора в качестве датчика температуры в терморегулируюгцих устройствах Электротехническая промышленность. Серия "Бытовая электротехника", вып. 4,1975, 2с.

77. Инженерная микроэлектроника, № 2,2003, с. 55-56.

78. Стивен Кокнсрс. Развязка потенциалов в системах сбора данных. Электроника (русский пер.), ю, 1Э30, с. 50-60.

79. Развязывающие усилители. Зарубежная радиоэлектроника. Хэ 11.19S0, с. 6S-96.

80. Громов B.C., Шувалов Б. А. ОсоСенности создания и использования систем диагностирования ИЗТ. ЦНГШ "Электроника", М: Электронная промышленность, Л» 7,1990, с. 8-11.

81. Горюнов Н.Н. Свойства полупроводниковых приборов при длительной работе и хранении. М: Энергия, 1970, - 104с.

82. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Пер. с нем. М.: Мир, 1989, -196с.

83. Громов B.C., Кукса Ю.Н. Многофункциональный датчик для электронных систем сбора данных. -.М.: Электроника: НТБ, № 2, 2005.

84. Блинов А., Гомкрелидзе С., Критенко М., Лебедев Д., Мокров Е. Датчики нового поколения для вооружений и военной техники, М.: Электроника: НТБ, № 2, 2003, с. 50-53.

85. Громов B.C. Положение о проведении работ по снижению до заданного уровня числа однотипных отказов ИЭТ в аппаратуре путем создания и использования систем диагностирования ИЭТ. Руководящий материал. Внедрён в отрасли Указанием МЭП 3 У-344 от 10.10.1990.