НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “Львівська політехніка”

Кравчук Наталія Сергіївна

УДК 621.383.8

ТЕМПЕРАТУРНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ НА ОСНОВІ РЕАКТИВНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТРУКТУР МЕТАЛ-ДІЕЛЕКТРИК-НАПІВПРОВІДНИК

05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів-2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Осадчук Володимир Степанович,

завідувач кафедри “Мікроелектроніка,

оргтехніка та зв'язок” Вінницького

державного технічного університету

Офіційні опоненти - Доктор технічних наук, професор

Назаренко Леонід Андрійович,

завідувач відділом термометрії, фотометрії

та теплоплофізичних вимірювань

ДНВО “Метрологія”, м. Харків.

Доктор технічних наук, професор

Засименко Віктор Михайлович,

професор кафедри “Метрологія,

стандартизація та сертифікація”

Національного університету

“Львівська політехніка”

Провідна установа - Інститут технічної теплофізики

НАН України (м. Київ), відділ теплометрії

Захист відбудеться 24 травня 2002 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул.С.Бандери,12, ауд.165 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету"Львівська політехніка" (79013, Львів, вул.Професорська,1)

Автореферат розісланий “ 20 ” квітня 2002р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д. т. н., проф. Луцик Я. Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Стан сучасної вітчизняної економіки великою мірою визначається успішним розв'язанням питань створення та освоєння серійного випуску автоматичних засобів технічної діагностики машин та обладнання, приладів неруйнівного контролю, систем перевірки якості промислової та сільськогосподарської продукції, контролю параметрів довкілля тощо. Ефективність перерахованого комплексу технічних засобів, в свою чергу, залежить від якості первинних вимірювальних перетворювачів, які є основними чутливими органами вимірювальної апаратури, пристроїв та систем контролю та керування.

Важливою різновидністю вимірювальних перетворювачів є сенсори температури, оскільки багато процесів, в тому числі і в повсякденному житті, регулюються температурою.

За оцінками вітчизняних та закордонних спеціалістів технічні вимірювання температури складають відповідно 40 – 50 % загального числа всіляких вимірювань. Зокрема, в Україні температурні та теплофізичні вимірювання є одними з найбільш поширених і становлять 30% усього обсягу вимірювань. Це обумовлено потужним промисловим та науково-технічним потенціалом країни з переважним розвитком таких галузей, як металургія, енергетика, машинобудування, авіаційна та космічна техніка, хімічна промисловість тощо, ефективність яких значною мірою залежить від точності вимірювань температури та теплофізичних характеристик. У зв'язку з цим досить важливими завданнями сучасного приладобудування та сучасної вимірювальної техніки є вибір надійних методів вимірювання температури стосовно різних виробництв, створення вимірювальних приладів необхідної точності, стабільності та швидкодії, а також дослідження впливів на результат вимірювань всієї сукупності факторів, які супроводжують вимірювальний процес.

Існуючим перетворювачам температури у їх більшості (термопари, терморезистори, п'єзоелементи тощо), якими є на сьогодні сенсори температури, притаманні такі недоліки: абсолютне значення вихідного сигналу та повна шкала його змін мають невелике значення, окрім того, передатна характеристика перетворювачів є нелінійною. Тому в тих випадках, коли необхідно забезпечити високу точність вимірювань, необхідно здійснити підсилення сигналу сенсора, лінеаризацію передатної характеристики, компенсацію початкового зміщення та похибок, які виникають у зв'язку зі зміною температури довкілля та часового дрейфу. Ефективно виконувати подібні перетворення можна тільки з використанням засобів цифрової обробки даних.

Останнім часом намітилась стійка тенденція щодо зменшення вартості мікроелектронних пристроїв обробки інформації, зокрема, на основі мікропроцесорних систем, внаслідок чого первинні вимірювальні перетворювачі поступово набувають визначальної ролі з точки зору вартості інформаційно-вимірювальної системи. Таким чином, широке застосування напівпровідникових матеріалів, групової інтегральної технології та розробка на їх основі мікроелектронних ПВП, сумісних з пристроями останнього покоління є основним напрямком розвитку сучасної техніки сенсорів.

Отже, проблема створення системи уніфікованих твердотільних сенсорів з високими метрологічними характеристиками та вихідним сигналом, який можна перетворити у форму кода з незначними похибками залишається досить актуальною. Використання реактивних властивостей напівпровідникових структур для побудови частотних ПВП фізичних величин по праву можна вважати одним із закономірних шляхів розв'язання цієї проблеми.

Дана робота присвячена створенню та дослідженню контрольно-вимірювальних перетворювачів, дія яких грунтується на функціональній залежності імпедансу напівпровідникових приладів від однієї з найбільш поширених неелектричних величин– температури, що представляє теоретичний та практичний інтерес, а тему дозволяє вважати актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась згідно з держбюджетною фундаментальною науково-дослідною роботою “Розробка математичних моделей оптоелектронних НВЧ елементів на основі арсенід-галієвих транзисторів і засобів цифрової обробки високочастотних сигналів” (№ дер. реєстрації 0199 U 003434, 1999р.), а також відповідно до Програми розвитку електронної промисловості України на 1999-2005р.р. “Електроніка України - 2005”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи стало створення та дослідження первинних вимірювальних перетворювачів температури з частотним виходом, технологічно сумісних з мікроелектронною елементною базою, дія яких основана на використанні функціональної залежності імпедансу напівпровідникових структур від температури. Об'єктом дослідження є розробка теоретичних засад, методів та засобів підвищення метрологічних характеристик перетворювачів температури. Предметом дослідження – температурні перетворювачі на основі реактивних властивостей МДН-структур. Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв'язуються такі задачі:

1. Розробка фізичної моделі процесів на поверхні та в об'ємі каналу МДН-транзисторів, яка дозволяє пояснити реактивні властивості МДН-структур з урахуванням комплексу різних факторів впливу.

2. Розробка математичної моделі каналу МДН-транзистора, створення на її основі математичної моделі активної області двозатворного МДН-транзистора, яка дозволяє дослідити вплив температури на активну і реактивну складові імпедансу каналу і активної області на високих частотах з урахуванням фізико-топологічних параметрів та напруги зміщення на затворі.

3. Проведення експериментальних досліджень температурної залежності імпедансу каналу в широкому діапазоні частот при різних напругах зміщення на затворі та оцінювання похибки вимірювання з метою встановлення адекватності розроблених моделей.

4. Розробка первинних вимірювальних перетворювачів температури з частотним виходом, дія яких ґрунтується на використанні температурної залежності імпедансу МДН-структур, що дозволить підвищити чутливість та точність вимірювання температури.

5. Теоретичне та експериментальне дослідження функції перетворення розроблених частотних перетворювачів температури.

6. Оцінювання чутливості, частотної нестабільності та похибки перетворення розроблених первинних вимірювальних перетворювачів.

7. Промислове апробування та втілення результатів досліджень.

Методи дослідження ґрунтуються на використанні:

а) основних положень теорії функції комплексної змінної (аналіз фізичних процесів в каналі структури, створення математичних моделей, розрахунок функції перетворення);

б) диференціального та інтегрального числення (створення математичних моделей МДН-структури, розрахунок похибок вимірювання);

в) методів розрахунку лінійних електричних кіл з використанням матричного апарату (розрахунок імпедансу активної області МДН-транзистора, розрахунок передатних функцій вимірювальних перетворювачів);

г) теорії стійкості коливальних систем за Ляпуновим (розрахунок передатних функцій автогенераторних вимірювальних перетворювачів);

д) теорії ймовірності (оцінювання похибок вимірювань);

є) ЕОМ на заключних етапах аналізу та синтезу.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі отримано такі наукові результати:

1. Вперше розроблено фізичну модель процесів на поверхні і в об'ємі каналу МДН-транзистора, яка відрізняється від існуючих тим, що на її основі можна пояснити реактивні властивості МДН-структур з урахуванням комплексу різних факторів впливу.

2. Вперше розроблено математичну модель, яка, на відміну від існуючих, описує фізичні процеси на поверхні і в об'ємі каналу МДН-транзистора, на основі якої отримано аналітичні залежності активної та реактивної компонент малосигнального імпедансу двозатворного МДН-транзистора від температури в широкому частотному діапазоні для різних зміщень на затворі.

3. Запропоновано комплексний метод експериментальних досліджень реактивних властивостей МДН-структур, який поєднує відомі класичні методи дослідження фізичних процесів на поверхні і в об'ємі каналу МДН-транзисторів з радіовимірювальними методами вимірювання комплексних опорів чотириполюсників (ФК2-12, Р4-37), що дозволяє проводити одночасний цифровий відлік частоти та вимірювальної величини на цій же частоті під час вимірювання, а також – усунути фізичну неоднозначність трактування результатів під час дослідження реактивних властивостей напівпровідникових структур.

4. Запропоновано застосовувати метод Ляпунова для аналізу стійкості розроблених автогенераторних вимірювальних перетворювачів(АВП) температури, який дозволив отримати їх функції перетворення. Проведені експериментальні дослідження функціональної залежності вихідної частоти АВП від температури підтвердили результати, отримані при теоретичному аналізі і виявили їх збіг у межах 5%.

Практичне значення роботи. Результати моделювання МДН-структур були використані при аналізі фізичного механізму термореактивного ефекту, що лягло в основу розробки автогенераторних вимірювальних перетворювачів температури, функції перетворення яких було отримано на основі математичних моделей імпедансу каналу.

Розроблені вимірювальні перетворювачі температури забезпечують вимірювання залежності f=f(T) в температурному інтервалі (188 – 373) К з високою точністю (максимальна зведена похибка 0,5%); сумісні з цифровими системами обробки інформації та можуть бути виготовлені за стандартною груповою інтегральною технологією. Це дозволяє значно знизити вартість пристроїв контрольно-вимірювальної техніки, повною мірою реалізувати переваги мікроелектронних сенсорів (висока надійність за рахунок скорочення числа міжз'єднань, малі габарити та маса, взаємозамінність і стабільність характеристик), а також створити "інтелектуальні" вимірювальні перетворювачі шляхом інтеграції чутливого елементу та схеми обробки в об'ємі одного кристалу.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в НДІ індикаторних приладів “Гелій” (м. Вінниця) , а також в навчальний процес при вивченні спецкурсу “Фізика напівпровідникових приладів” , курсу “Фізичні основи радіоелектроніки” та проведенні спецфізпрактикуму “Дослідження реактивних властивостей напівпровідників” для студентів спеціальності “Фізика та інформатика”. Підтвердженням впровадження результатів роботи є наявність відповідних актів.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

Особистий внесок у роботах, опублікованих у співавторстві :

1. Розроблено фізичну модель процесів на поверхні і в об'ємі каналу МДН-транзистора, на основі якої можна пояснити його реактивні властивості з урахуванням різних факторів впливу. Запропоновано досліджувати кінетику зміни активної та реактивної складових повного опору каналу, виходячи з інерційних властивостей “електронно-діркової плазми” [1, 2].

2. Запропоновано досліджувати імпеданс каналу, виходячи з моделей джерела, обмеженого бар'єром та джерела, обмеженого просторовим зарядом [3].

3. Розроблено математичну модель каналу та активної області двозатворного МДН-транзистора, яка описує залежність активної та реактивної складових повного опору від температури в частотному діапазоні (1-1250 МГц) для різних значень зміщення на затворі [4].

4. Запропоновано комплексний метод експериментальних досліджень імпедансу напівпровідникових реактивних елементів і частотно-вимірювальних перетворювачів на їх основі, у тому числі запропоновано методику дослідження поверхневих станів [2, 3, 4].

5. Запропоновано методику розрахунку частотних вимірювальних перетворювачів температури на основі реактивних властивостей напівпровідникових структур з використанням методу Ляпунова.

6. Схемотехнічні рішення, спрямовані на підвищення точності результатів вимірювань: запропоновано реалізувати ємнісний елемент коливного контура вимірювального перетворювача на основі МДН-структур, що суттєво підвищує точність вимірювання інформативного параметра [5]; запропоновано використовувати зміну напруги для регулювання частоти генерації [6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародних та регіональних конференціях, а саме: III-й науково-технічній конференції країн СНД “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах та конверсії виробництв” (м. Хмельницький, 1995р.), на міжнародній конференції “Optical storage, imaging and transmission of information” (м. Київ, 1996р.), на міжнародному симпозіумі “Наука і підприємництво” (Вінниця-Львів, 1997р.), а також на звітних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів Вінницького державного технічного та педагогічного університетів в 1995-2000рр.

Публікації. Основний зміст роботи опубліковано у 8 друкованих працях, в тому числі: 4- статті у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України; 2– патенти України на винахід; 2- тези доповідей на науково-технічних конференціях різного рівня.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4-х розділів, основних висновків по роботі, переліку використаних джерел (158 бібліографічних посилання, 14 сторінок) та 8 додатків (18 сторінок). Загальний обсяг роботи, в якому викладено основний зміст, складає 153 сторінки і містить 45 рисунків, 1 таблицю. Повний обсяг дисертації – 187 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі приведено загальну характеристику дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету досліджень, дано характеристику наукової новизни та практичної цінності одержаних результатів, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, оцінено особистий внесок здобувача.

В першому розділі проведено аналіз існуючих методів і засобів вимірювання температури частотно- часової групи. Коротко розглянуто основні теоретичні принципи, що використовуються для проектування первинних вимірювальних перетворювачів, а також викладено передумови застосування реактивних властивостей напівпровідникових структур в контрольно- вимірювальній техніці. Розглянуто питання практичного використання фізичних явищ в твердому тілі для побудови сенсорів температури, приведено технічні характеристики існуючих приладів та пристроїв вимірювання температури частотно-часової групи. Показано, що застосування реактивних властивостей напівпровідникових приладів у техніці первинних вимірювальних перетворювачів свідчить про перспективність частотних сенсорів температури на їх основі, яким властиві високі метрологічні показники та технологічна сумісність з мікроелектронними пристроями обробки вимірювальної інформації. Уточнено класифікацію твердотільних частотних перетворювачів інтенсивності світлового потоку та температури, в якій виділено новий підклас напівпровідникових частотних перетворювачів температури, а саме: термореактивні перетворювачі на основі двозатворних МДН-структур, а також сформульовано основні задачі досліджень.

В другому розділі розглянуто питання дослідження фізичних процесів на поверхні та в об'ємі каналу МДН-структури, створення математичної моделі каналу та активної області двозатворного МДН-транзистора. Проведено теоретичний аналіз фізичних механізмів, відповідальних за термореактивний ефект, отримано аналітичні співвідношення для активної та реактивної складових повного опору двозатворного МДН - транзистора в широкому частотному і температурному діапазонах для різних зміщень на затворах. Приведено результати моделювання впливу температури на параметри напівпровідникового реактивного елемента. Розглянуто результати експериментальних досліджень функціональної залежності імпедансу напівпровідникових приладів від температури.

Добре відомо, що характеристики приладів зі структурою МДН контролюються поверхневими станами(ПС) на межі розділу діелектрик-напівпровідник. Для моделювання термореактивних властивостей МДН - структур було проведено оцінювання фізичних параметрів ПС та їх внеску в імпеданс МДН - транзисторів. Оцінювання параметрів ПС проводилось з використанням двох методів. Метод вхідного адмітансу дозволив оцінити величину поверхневого потенціалу(ПП) -. Такі ж параметри як густина ПС-Nss, стандартне відхилення ПП від напруги зміщення на затворі-s, час перезарядки ПС-t було оцінено з використанням двотемпературного або ж модифікованого методу Ядави. Названі параметри ПС оцінювались в температурному інтервалі(188-373)К і частотному діапазоні від 1 до 1250 МГц. В результаті проведених досліджень з'ясувалось, що в розглядуваному температурному та частотному діапазонах внеском параметрів ПС в інерційні властивості “електронно-діркової плазми” можна знехтувати. Для аналізу фізичних процесів, які відбуваються в об'ємі каналу(для різних режимів зміщення на затворі) було застосовано наступні моделі. Для випадку Uз<0 було використано модель джерела, обмеженого бар'єром; у випадку Uз>0 - джерела, обмеженого просторовим зарядом.

Розглянуті моделі дали змогу отримати вирази для частоти, що відповідає точці інверсії знаку реактивності, але не враховували топологічні параметри досліджуваних структур. Тому виникла необхідність створення математичної моделі каналу МДН-транзистора, яка б дозволила врахувати фізико-топологічні параметри і оцінити вплив температури і частоти на його імпеданс для різних напруг зміщення на затворі.

Враховуючи фізичні процеси, що відбуваються в каналі при Uз<0 та приймаючи до уваги температурну та частотну залежності рухливості

mn = qDn(1+iwtn)/kT було отримано вираз для опору каналу:

, (1)

аналіз якого свідчить про те, що уявна складова Rk носить індуктивний характер. Вираз для еквівалентної індуктивності у розглядуваному випадку матиме вигляд:

, (2)

де l=1.2Ч10-6 м - довжина каналу; Dn=0.32Ч10-2 м2/с- коефіцієнт дифузії; q=1.6Ч10-19 Кл - заряд електрона; k=1.38Ч10-23 Дж/К - стала Больцмана; T=188 ё373 К - температура; i- уявна одиниця; C=0.188Ч10-15 Ф- ємність затвору; Uз =0ё-4 В- напруга на затворі; a= l =1.2Ч10-6 м- глибина каналу; b=0.14Ч10-6 м- ширина каналу; w = 2pЧ(106ё109)Гц - циклічна частота тестового сигналу; tn=10-9c - час життя основних носіїв заряду; r0=0.05ё0.1ОмЧм – питомий опір каналу.

Дійсна складова опору ділянки каналу Rk представляє її активний опір R:

. (3)

Тоді вираз для повного опору ділянки "Витік-Стік" двозатворного МДН-транзистора з урахуванням (2), (3) матиме вигляд:

, (4)

де Сб- бар'єрна ємність р-n – переходів.

Як відомо з теоретичних та експериментальних досліджень повного опору МДН-транзистора такі структури при певних температурах і частотах проявляють себе як еквівалентна індуктивність. Для оцінювання еквівалентної індуктивності каналу при додатних напругах зміщення на затворі було розглянуто фізичну модель структури каналу з енергетичної точки зору. Неважко помітити, що електрони, індуковані в каналі, з однієї сторони, можуть бути описані як система, що має певну швидкість руху та кінетичну енергію Wк , а з іншої – як електричний струм, що має енергію магнітного поля Wm з еквівалентною індуктивністю Lк, яка може бути представлена наступним чином:

(5)

де me*=9.8Ч10-31 кг - ефективна маса електрона;

Р=10-6 Вт - потужність малого сигналу;

ed - відносна проникність підзатворного діелектрика;

e0 - діелектрична стала;

d - товщина підзатворного діелектрика.

Імпеданс каналу при додатних зміщеннях на затворі з урахуванням (5) матиме вигляд:

. (6)

Виходячи з еквівалентної схеми однозатворного та структурної двозатворного, отримано еквівалентну схему двозатворного МДН-транзистора. На основі розроблених математичних моделей з використанням методу контурних струмів для розрахунку отриманої еквівалентної схеми було проведено моделювання активної області двозатворного МДН-транзистора, функціональні залежності імпедансу якої представлено на рис.1 та рис.2.

Рис.1.Теоретичні залежності реактивної складової імпедансу активної області транзистора від частоти при Т=const,Uз=const:

1-Uз=1B; 2-Uз=2B; 3-Uз=3B; 4-Uз=4B

Рис.2. Теоретичні залежності активної складової імпедансу транзистора від температури при Uз=const, f =100МГц:

1-Uз=2B; 2-Uз=1B; 3-Uз=4B

В третьому розділі розглянуто питання методики проведення експериментальних досліджень функціональної залежності імпедансу МДН-структур від температури в частотному діапазоні (1-1250) МГц при різних напругах зміщення на затворі. Розглянуто методи дослідження параметрів поверхневих станів і методи вимірювання імпедансу напівпровідникових структур. Запропоновано комплексний метод дослідження реактивних властивостей МДН-структур, що ґрунтується на радіовимірювальних – фазометричному (ФК2-12) та НВЧ (Р4-37) методах в поєднанні з класичними методами дослідження фізичних процесів як на поверхні так і в об'ємі каналу МДН-структур. Проведено оцінювання похибок вимірювань.

В четвертому розділі розглянуто питання створення та дослідження частотних первинних вимірювальних перетворювачів температури. Розглянуто основні принципи побудови напівпровідникових резонансних систем, чутливих до температури. Розроблено пристрої для вимірювання температури автогенераторного типу, еквівалентні коливні контури в яких реалізовано на двозатворному МДН-транзисторі, імпеданс каналу якого залежить від температури. Запропоновано для розрахунку функцій перетворення вимірювальних перетворювачів автогенераторного типу використовувати метод Ляпунова. Проведено розрахунок і дослідження функцій перетворення АВП на основі реактивних двозатворних МДН-структур для різних напруг зміщення на затворах. Зокрема, для вимірювача температури на двозатворному транзисторі (рис.1), в якому чутливим до температури елементом є еквівалентна індуктивність ділянки “витік-стік”, зміна температури призводить до зміни резонансної частоти, а врешті і до зміни частоти на виході АВП. Функція перетворення такого пристрою має вигляд:

f , (7)

де

Графіки залежностей частоти на виході такого автовимірювального перетворювача від температури для фіксованих напруг зміщення на затворі З1 представлені на рис.4.

Рис.4. Теоретичні (-----) та експериментальні (- - - -) залежності вихідної частоти АВП від температури для різних напруг зміщення на затворі:

1-Uз=1B; 2-Uз=2B; 3-Uз=3B; 4-Uз=4B

Проведено оцінювання чутливості, похибок і частотної нестабільності АВП температури. Зокрема, для представленого пристрою вимірювання температури (рис.3.) температурна залежність чутливості має вигляд як на рис.5.

Pис. 5. Теоретична(---------) та експериментальна (-Ё-Ё-Ё-Ё-) залежності чутливості АВП від температури

У додатках представлено таблицю параметрів поверхневих станів, блок-схеми та лістинги програм розрахунку імпедансу каналу МДН-транзистора для різних напруг зміщення на затворі, імпедансу активної області МДН-транзистора, програму для розрахунку функції перетворення АВП-температури та акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертації приведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробці первинних вимірювальних перетворювачів температури з частотним виходом, дія яких ґрунтується на використанні функціональної залежності імпедансу МДН-структур від температури, що дозволяє покращити метрологічні характеристики температурних вимірювальних перетворювачів. Основні результати дисертаційної роботи є такими:

У галузі теоретичних та експериментальних досліджень:

1. Проведено аналіз існуючих методів та пристроїв контролю температури частотно-часової групи, а також розглянуто основні фізичні явища, що покладені в основу створення термочутливих напівпровідникових структур для пристроїв контрольно-вимірювальної техніки. Показано, що створення термочутливих перетворювачів на основі реактивних властивостей МДН-структур є одним із перспективних напрямків, оскільки дозволяє реалізувати “інтелектуальні” сенсори за стандартною груповою технологією шляхом конструктивного об'єднання ПВП з мікро ЕОМ для обробки інформації.

2. Аналіз сучасного стану напівпровідникових частотних перетворювачів температури дав змогу уточнити і розширити класифікацію ПВП частотно-часової групи, яку доповнено таким підкласом як термореактивні перетворювачі на основі двозатворних МДН-структур.

3. Розроблено фізичну модель процесів на поверхні і в об'ємі каналу МДН-транзистора, яка відрізняється від існуючих тим, що на її основі можна пояснити реактивні властивості МДН-структур з урахуванням комплексу різних факторів впливу.

4. Вперше розроблено математичну модель, яка, на відміну від існуючих, описує фізичні процеси на поверхні і в об'ємі каналу МДН-транзистора, на основі якої отримано аналітичні залежності активної та реактивної компонент малосигнального імпедансу двозатворного МДН-транзистора від температури в широкому частотному діапазоні для різних зміщень на затворі.

5. Досліджено вплив температури на активну та реактивну складові повного опору каналу в широкому частотному діапазоні при різних зміщеннях на затворі. Показано, що висока чутливість еквівалентної реактивності до теплового випромінювання може бути покладена в основу створення частотних термочутливих перетворювачів, сумісних з мікроелектронною технологією.

6. Запропоновано комплексний метод експериментальних досліджень реактивних властивостей МДН-структур, який поєднує відомі класичні методи дослідження фізичних процесів на поверхні і в об'ємі каналу МДН-транзисторів з радіовимірювальними методами вимірювання комплексних опорів чотириполюсників, що дозволяє проводити одночасний цифровий відлік частоти та вимірювальної величини на цій же частоті, а також- усунути фізичну неоднозначність трактування результатів при дослідженні реактивних властивостей напівпровідникових структур.

7. Експериментально досліджено явище інверсії знаку реактивності на частотах, що перевищують граничну. Проаналізовано фізичні процеси, що призводять до виникнення інверсії знаку реактивності як функції частоти змінного сигналу так і температури при різних напругах зміщення на затворі, а також залежності точки інверсії від параметрів, які визначають інерційні властивості “електронно-діркової плазми ” і вказано можливі механізми, що призводять до індуктивного ефекту залежно від температури.

8. Проведені експериментальні дослідження імпедансу МДН-структур підтвердили основні положення та результати, отримані при теоретичному аналізі, і виявили їх збіг в межах 5% .

У галузі практичного використання:

1. Запропоновано пристрої для вимірювання температури автогенераторного типу, еквівалентні коливні контури в яких реалізовано на двозатворному МДН-транзисторі, що забезпечує високу чутливість та дозволяє вирішити проблему підвищення точності вимірювання температури. Чутливість таких АВП залежно від схемотехнічної реалізації є в межах (2- 338) кГц/К; похибка вимірювань становить 0,5% при межах вимірювань (188- 373) К; частотна нестабільність - 3 Ч10 –3.

2. Запропоновано застосовувати метод Ляпунова для аналізу стійкості вимірювальних перетворювачів автогенераторного типу, який дозволив порівняно просто отримати функції перетворення розроблених АВП. Проведені експериментальні дослідження функціональної залежності вихідної частоти АВП від температури підтвердили результати, отримані при теоретичному аналізі, і виявили їх збіг в межах 5%.

3. Розроблені термочутливі перетворювачі знайшли практичне застосування в НДІ індикаторних приладів “Гелій” (м.Вінниця).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Осадчук В.С., Яремчук В.Ф., Кравчук Н.С., Носолюк В.М. Дослідження температурної залежності імпедансу польових транзисторів // Вісник ВПІ. - 1996. - №4. - С. 65-68.

2. Осадчук В.С., Яремчук В.Ф., Кравчук Н.С. Дослідження впливу температури на інерційні властивості “електронно-діркової плазми” в каналі МДН-структури // Вісник ВПІ. - 1998. - №4. - С. 82-85.

3. Осадчук В.С., Яремчук В.Ф., Кравчук Н.С., Шит В.М. Дослідження реактивних властивостей польового транзистора // Вісник ВПІ. - 1999. - №5.- С.108-112.

4. Осадчук В.С., Яремчук В.Ф., Кравчук Н.С. Моделювання реактивних двозатворних МДН-структур на високих частотах // Вісник ВПІ.- 2001.- №5.- С.84-91.

5. Пат. 33404 А UA, МПК6 G 01 К 7/00. Пристрій для вимірювання температури / В.С. Осадчук, О.В. Осадчук, Н.С. Кравчук (Україна).- № 99020935; Заявл. 18.02.99; Опубл. 15.02.2001, Бюл.№1.- 6 с.

6. Пат. 33405 А UA, МПК6 G 01 К 7/00. Напівпровідниковий вимірювач температури / В.С. Осадчук, О.В. Осадчук, Н.С. Кравчук (Україна).- № 99020936; Заявл. 18.02.99; Опубл. 15.02.2001, Бюл.№1.- 6 с.

7. Осадчук В.С., Яремчук В.Ф., Кравчук Н.С., Носолюк В.М. Контрольно-вимірні перетворювачі на основі двозатворного МДН-транзистора // Матеріали 3-ї науково-технічної конференції. - Хмельницький. - 1995. - С. 53.

8. Осадчук В.С., Яремчук В.Ф., Кравчук Н.С. Дослідження поверхневих станів на межі SiO2-Si, легованого бором // Матеріали міжнародного симпозіуму “Наука і підприємництво”. - Вінниця - Львів. - 1997.-С.98.

АНОТАЦІЇ

Кравчук Н.С. Температурні перетворювачі на основі реактивних властивостей структур метал-діелектрик-напівпровідник. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.04 – прилади та методи вимірювання теплових величин. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2001.

Дисертацію присвячено розробці та дослідженню первинних вимірювальних перетворювачів температури на основі реактивних властивостей структур метал- діелектрик- напівпровідник(МДН). Розроблено фізичну модель процесів на поверхні і в об'ємі каналу МДН-транзистора з урахуванням комплексу різних факторів впливу. На її основі розроблено математичну модель, яка представляє аналітичні залежності активної та реактивної компонент малосигнального імпедансу двозатворного МДН-транзистора від температури в широкому частотному діапазоні для різних зміщень на затворі. Запропоновано комплексний метод експериментальних досліджень реактивних властивостей МДН-структур, який поєднує відомі класичні методи дослідження з радіовимірювальними методами вимірювання комплексних опорів чотириполюсників, що дозволяє усунути фізичну неоднозначність трактування результатів. Запропоновано пристрої для вимірювання температури автогенераторного типу, еквівалентні коливні контури в яких реалізовано на двозатворному МДН-транзисторі, що забезпечує високу чутливість та дозволяє вирішити проблему підвищення точності вимірювання температури у 2-3 рази порівняно з відомими. Запропоновано застосовувати метод Ляпунова для аналізу стійкості розроблених перетворювачів температури, який дозволив отримати їх функції перетворення. Оцінено чутливість розроблених перетворювачів та проаналізовано їх похибки вимірювання.

Ключові слова: реактивні властивості, структура метал-діелектрик-напівпровідник, імпеданс, первинні вимірювальні перетворювачі, автогенератори.

Кравчук Н.С. Температурные преобразователи на основе реактивных свойств структур металл-диэлектрик-полупроводник.- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11. 04 - приборы и методы измерения тепловых величин. – Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2001.

Диссертация посвящена разработке и исследованию первичных измерительных преобразователей(ПИП) температуры на основе реактивных свойств структур металл-диэлектрик-полупроводник(МДП). Анализ известных отечественных и зарубежных устройств преобразования температуры показал, что существующим преобразователям в их большинстве характерны такие недостатки: абсолютное значение выходного сигнала имеет небольшую величину, сам сигнал есть аналоговым, кроме того, передаточные характеристики датчиков - нелинейные, что влечёт необходимость использования комплекса различных устройств с целью повышения точности измерений. Поэтому использование реактивных свойств полупроводниковых структур для построения ПИП является перспективным направлением решения этой проблемы. При этом достигается их полная совместимость с микроэлектронной групповой технологией и цифровыми системами обработки измерительной информации.

Обзор отечественных и зарубежных литературных источников, изобретений и патентов показал, что среди полупроводниковых эквивалентов реактивности особое место занимают транзисторные, в частности, двухзатворные МДП-структуры. Для последних характерна многофункциональность, а также ряд существенных преимуществ по сравнению с биполярными. Наряду с этим такие структуры мало изучены: не рассмотрено термоиндуцированное изменение параметров МДП-структур на малом переменном сигнале; недостаточно изучены физические механизмы влияния температуры на “электронно-дырочную плазму” в поверхностном шаре пространственного заряда; отсутствует аналитическое описание зависимости активной и реактивной составляющих импеданса канала от температуры на высоких частотах (за предельными).

Решение этих вопросов позволило бы использовать двухзатворные МДП-структуры для построения на их основе преобразователей температуры, характеристики точности которых определяются, прежде всего, высокой чувствительностью реактивной и активной составляющих импеданса МДП-транзистора к тепловому воздействию.

С этой целью разработана физическая модель процессов на поверхности и в объёме канала МДП-транзистора, которая отличается от существующих тем, что на её основе можно объяснить реактивные свойства МДП-структур с учётом комплекса различных факторов влияния. Предложено исследовать кинетику изменения активной и реактивной составляющих полного сопротивления канала, исходя из инерционных свойств “электронно-дырочной плазмы”.

Разработана математическая модель, которая в отличие от существующих описывает физические процессы на поверхности и в объёме канала МДП-транзистора; на её основе получены аналитические зависимости активной и реактивной компонент малосигнального импеданса двухзатворного МДП-транзистора от температуры в широком частотном диапазоне для различных смещений на затворе, уточнена эквивалентная схема активной области двухзатворного МДП-транзистора.

Предложен комплексный метод экспериментальных исследований реактивных свойств МДП-структур, который объединяет известные классические методы исследования физических процессов на поверхности и в объёме канала МДП-транзисторов с радиоизмерительными методами измерения комплексных сопротивлений четырёхполюсников, что позволяет производить одновременный цифровой отсчёт частоты и измерительного параметра во время измерений, а также - исключить физическую неоднозначность истолкования результатов во время исследования реактивных свойств полупроводниковых структур. Предложена методика исследования параметров поверхностных состояний.

Разработаны устройства для измерения температуры автогенераторного типа, эквивалентные колебательные контура которых реализованы на двухзатворном МДП-транзисторе, импеданс которого (как действительная, так и мнимая составляющие) зависят от температуры, что обеспечивает высокую чувствительность и позволяет решить проблему повышения точности измерения температуры в 2-3 раза по сравнению с известными.

Предложено использовать метод Ляпунова для анализа устойчивости разработанных автогенераторных измерительных преобразователей температуры на основе реактивных свойств полупроводниковых структур, исходя из чего предложена методика расчета их функций преобразования.

Использование полученных в работе результатов позволило разработать и внедрить как экспериментальный образец ПИП, которые обеспечивают измерение зависимости f=f(T) в температурном интервале (188 – 373) К с высокой точностью (максимальная приведённая погрешность 0,5%).

Ключевые слова: реактивные свойства, структура металл-диэлектрик-полупроводник, импеданс, первичные измерительные преобразователи, автогенераторы.

Kravchuk N.S. Temperature transducers on base of the reactive properties metal- oxide-semiconductor structures . - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.11. 04 - devices and methods of measurements of thermal values. National university “Lviv politechnika, Lviv, 2001.

The thesis is devoted to the development and research of the primary measuring temperature transducers on basis of reactive properties of metal- oxide-semiconductor structures (MOS). The physical processes model on the surface and MOS-transistor channel volume with complex account of different influence factors was developed. The mathematical model was received on its basis. It represents the analytic dependences of the active and the reactive components of the impedance of the littlesignal twogate's MOS-transistor from temperature in wide frequency diapason for different voltages on gate. The complex method of experimental researches of reactive MOS-structures properties was improved. It combines the known classic research methods with radiosmeasuring methods. The devices for measuring of temperature of autooscillator type were offered the equivalent oscillation contours in them released on twogate's MOS-transistor. It providing high sensitiveness and allows to solve the problem of rising of exactness temperature measurement in comparison with well know methods. The Lyapunov method is steadiness analysis of developed temperature transformers, which allowed getting their transformation functions offered to employ. Sensitiveness of developed transformers was estimated and their measuring errors were analysed.

Key words: reactive properties, structure metal- oxide- semiconductor, impedance, primary measuring transducers, autooscillator .