„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ЯГАНОВ ПЕТРО ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 621.315.592

МІКРОЕЛЕКТРОННІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

НА КРЕМНІЄВІЙ СТРУКТУРІ З ДІЕЛЕКТРИЧНОЮ ІЗОЛЯЦІЄЮ

05.27.01 – твердотільна електроніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі мікроелектроніки Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Борисов Олександр Васильович, Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, професор кафедри мікроелектроніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Осадчук Володимир Степанович, Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електроніки;

доктор технічних наук, професор Осінський Володимир Іванович, Державний НДІ мікроприладів Національної академії наук України, заступник директора.

Провідна установа:

Харківський національний університет радіоелектроніки, кафедра мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться 15 травня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.08 Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою:

м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 12, ауд. 114.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою:

м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 6 квітня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.08

доктор технічних наук, професор В.Г. Савін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Домінуючою тенденцією розвитку сенсорних систем є мікромініатюризація. З аналізу номенклатури вимірювальної апаратури промислово розвинених країн світу випливає, що майже 90% основних типів датчиків мають мікроелектронне виконання. Мікроелектронні технології спрямовані на створення приладів з високою щільністю компонентів на одиниці площі напівпровідникового кристалу. Тому в розробці і виготовленні високочутливих мікророзмірних сенсорів результативними є підходи, що ґрунтуються на використанні в мікроелектронних структурах ефектів, які виникають на неоднорідностях типу потенційного бар’єру. В таких приладах властивості визначаються фундаментальними або питомими параметрами твердого тіла. В цьому випадку масштабування габаритів мікроелектронного сенсора в межах технологічно прийнятних обмежень зберігає рівень його електричного відгуку та чутливість до впливу вимірюваної фізичної величини.

Хоча розробка сенсорів з унікальними характеристиками відбувається, зокрема, і з використанням новітніх нанотехнологій та складних методів обробки вихідного сигналу за генетичними та нейромережними алгоритмами, проте у масовому виробництві, як правило, використовують широко відомі і традиційні як матеріали електронної техніки та методи їх обробки, так і принципи перетворення фізичної величини у електричний сигнал. В той же час залишаються недослідженими шляхи розв’язку ряду задач, пов’язаних з вивченням особливостей функціонування мікроелектронних діодних сенсорів, підвищенням сенсорної чутливості МДН-структур, розробкою і конструкторсько-технологічною реалізацією нових багатофункціональних мікроелектронних сенсорних структур та вимірювальних перетворювачів на їх основі, а також моделюванням їх метрологічних характеристик. Тому розробка нових високочутливих мікроелектронних структур з використанням промислово освоєних технологій на основі кремнію є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами і темами. Підготовка дисертаційної роботи пов’язана з виконанням науково-дослідних робіт (НДР) на кафедрі мікроелектроніки факультету електроніки Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” та у науково-виробничій фірмі „Мікросенсор” (м.Київ), що фінансувались з державного бюджету CРСР та України. Основними з них є наступні НДР: 1) „Розробка та дослідження високочутливих перетворювачів лінійних переміщень на основі МДН-структур”, 1987-88 рр., номер держреєстрації (далі „№ д/р”) 0186U051792; 2) „Удосконалення конструкції і технології виготовлення інтегральних мікросхем для засобів відображення інформації з підвищеною завадостійкістю”, 1988-92 рр., № д/р 0187U009848; 3) „Розробка мікроелектронних лінійних вимірювальних перетворювачів температури”, 1992-93 рр., № д/р 0193U027155; 4) „Розробка і дослідження параметрів чутливих елементів датчиків лінійних прискорень”, 1994 р., № д/р 0194U011000, згідно генерального договору з Мінмашпромом України, шифр програми Р-8040/07; 5) „Розробка конструкції і дослідження параметрів чутливих елементів і датчиків для вимірювання температури в медицині, агропромисловому комплексі, екології”, 1993 р., № д/р 0193U036970, згідно державної програми України „Приладобудування” та „Розробка приладів для агропромислового комплексу України ”, шифр програми 13.5.42; 6) „Розробка конструкції та дослідження параметрів чутливих елементів і датчиків для вимірювання рухливості та вологості повітря”, 1993 р., № д/р 0193U036969, згідно державної програми України „Приладобудування” та „Розробка приладів для агропромислового комплексу України”, шифр 13.1.3; 7) „Розробка та дослідження параметрів базових структур для чутливих елементів датчиків глюкози”, 1993-94 рр., № д/р 0193U044605, згідно державної програми України „Приладобудування”, шифр 10.3 (3.3); 8) „Розробка датчиків для визначення вмісту солей в сирах”, 1993-95 рр., № д/р 0193U044606, згідно державної програми України „Розробка і виготовлення приладів і машин для сільського господарства і харчового виробництва”, шифр програми 19.53/Р. Здобувач був відповідальним виконавцем (п.п.1,2) та науковим керівником НДР (п.п. 3 – 8).

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є розробка нових інтегральних мікроелектронних багатосенсорних кремнієвих структур з діелектричною ізоляцією (КСДІ) і створення на їх основі вимірювальних перетворювачів неелектричних величин з широкими функціональними можливостями. Для досягнення мети роботи вирішувались такі основні задачі:

- з’ясування особливостей перетворення неелектричної величини в електричний сигнал в мікроелектронних структурах;

- встановлення шляхів ефективного використання електричних та фотоелектричних властивостей кремнієвих напівпровідникових структур у мікроелектронних вимірювальних перетворювачах неелектричних величин;

- визначення конструкторсько-технологічної реалізації багатофункціональної мікроелектронної сенсорної структури та адаптація технологічного маршруту її виготовлення до промислово освоєних технологій мікроелектроніки;

- розробка нових вимірювальних перетворювачів неелектричних величин на основі КСДІ;

- розробка розрахункових моделей метрологічних характеристик вимірювальних перетворювачів.

Об’єкт дослідження – мікроелектронні перетворювачі фізичних величин. Предмет дослідження – сенсорні властивості та метрологічні характеристики нових кремнієвих структур з діелектричною ізоляцією.

Методи дослідження. Інтерференційний метод для визначення і контролю товщини тонких плівок. Чотирьохзондовий метод для контролю поверхневого опору матеріалів. Методи теорії електричних кіл. Метод найменших квадратів для визначення коефіцієнтів апроксимаційних поліномів моделюючих функцій. Методи планування та методи регресійного аналізу експериментальних досліджень. Метод диференційного числення. Метод імітаційного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на створення нових мікроелектронних багатофункціональних сенсорних КСДІ, шляхом реалізації поставлених вище задач вперше отримані наступні наукові результати

1. Формалізовано нове рівняння метрологічної характеристики діодних сенсорів, що дозволило розвинути модельні уявлення про фізичні процеси їх функціонування.

2. Теоретично встановлено і експериментально підтверджено, що умовою термопольової стабільності струму каналу МДН-транзистора є пропорційність температурної зміни польовій зміні рухливості інверсних носіїв заряду в каналі МДН-транзистора: , що дозволило визначити математичну модель залежності рухливості носіїв заряду в приповерхневому інверсному шарі МДН-транзистора від температури та напруги на затворі.

3. Експериментально встановлено, що градуювання діодного сенсора температури не вимагає обов’язкової стабілізації прямого струму в його колі. Розроблено метод градуювання прямо зміщеного діодного сенсора температури без стабілізації струму в колі. Похибка апроксимації експериментальних даних за даним методом становить до 0,005 К в діапазоні температур 200 ... 420 К.

4. Розроблено метод градуювання координатно-чутливих мікроелектронних фотоперетворювачів в умовах недетермінованого зовнішнього температурного впливу, використовуючи термометричні властивості p-n переходів в нерівноважному стані. Метод дає змогу при вимірюванні координати точно ідентифікувати позиційну характеристику перетворювача в умовах температурного дрейфу вихідного сигналу.

5. Вперше в діодній термометрії для високоточної апроксимації ТМХ прецизійних діодних сенсорів температури використано нейронні мережі, завдяки чому точність апроксимації в діапазоні температур 4 … 360 К досягла 0,001 К.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

- розробці науково обґрунтованих аналітичних моделей метрологічних характеристик вимірювальних перетворювачів неелектричних величин та термопольової залежності рухливості носіїв заряду в інверсному шарі МДН-транзистора;

- підготовці виробництва та реалізації засобами промислових мікроелектронних технологій „Заводу чистих металів” (м. Світловодськ), НДІ мікроприладів та ВО „Київський радіозавод” (м. Київ) дослідних зразків нових інтегральних вимірювальних перетворювачів на КСДІ, які відрізняються від аналогів вищою чутливістю і широкими функціональними можливостями;

- експериментальному визначенні високих термочутливих (до 1000 мВ/К), фоточутливих (до 150 А/Вт), координатно-чутливих (до 1000 мВ/мкм) властивостей розробленої КСДІ, що дає можливість реалізовувати на її основі різноманітні вимірювальні перетворювачі неелектричних величин з унікальними характеристиками;

- використанні розроблених методів моделювання метрологічних характеристик термодіодних сенсорів для визначення їх граничних (до 0,001 К) метрологічних параметрів;

- впровадженні результатів досліджень за темою дисертації на ВО „Київський радіозавод” та в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (три акти використання результатів досліджень представлені в додатку).

Наукова і практична новизна розроблених приладів підтверджується авторськими свідоцтвами СРСР на винахід.

Особистий внесок здобувача. В даній роботі дисертанту належать: постановка і проведення експериментальних досліджень, систематизація і обробка експериментальних даних, математичні розрахунки фізичних величин, розробка конструкції та топології сенсорних КСДІ, комп’ютерне проектування фотошаблонів, авторське супроводження і контроль виготовлення мікросхем.

Праці [6-12, 26] написані дисертантом самостійно. В працях, опублікованих у співавторстві, дисертантові належать: [1] – оптимізація режимів піролізу плівки SnO2; [2] – постановка задачі, визначення залежності фото-ЕРС розімкненого кола від рівня легування p та n областей; [3, 4, 25] – експериментальне визначення фотоелектричних характеристик інтегральних фотоприймачів; [5, 24] – експериментальне визначення координатних характеристик позиційно-чутливої інтегральної МДН-структури; [23] – встановлення ТМХ вимірювального перетворювача; [13, 27, 28] – постановка задачі, методичне та експериментальне обґрунтування методу апроксимації та комп’ютерне моделювання ТМХ діодних сенсорів; [14] – пропозиція використання алгоритму нейронних мереж для апроксимації ТМХ, порівняльний аналіз точності апроксимації ТМХ діодних сенсорів; [15] – пропозиція використання термометричних властивостей сенсорної КСДІ для ідентифікації позиційної характеристики координатного фотоперетворювача в умовах теплового дрейфу вихідного сигналу, комп’ютерне моделювання; [29] – пропозиції щодо схемотехнічної та технологічної реалізації оптоелектронних перетворювачів на КСДІ; [30] – постановка задачі, виготовлення дослідних зразків термосенсорів та експериментальні дослідження їх параметрів. В авторських свідоцтвах [16-22] дисертант обґрунтував новизну та суттєвість відмінностей розроблених технічних рішень від аналогів, виконав описи винаходів, експериментальні дослідження, приймав безпосередню участь в експертних нарадах.

Апробація результатів дисертації відбулась на: 1) науково-технічній конференції “Интегральные преобразователи неэлектрических величин” (м. Баку, жовтень 1989 р.); 2) науково-технічній конференції “Перспективные материалы твердотельной электроники. Твердотельные преобразователи в автоматике и робототехнике” (жовтень 1990 р., м. Мінськ); 3) 16-й науково-технічній конференції за участю зарубіжних спеціалістів „Датчик-2004” „Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления” (травень 2004 р., м. Судак, Україна); 4) 4-й науково-технічній конференції „Приладобудування 2005: стан і перспективи” (квітень 2005 р., м. Київ, Україна); 5) 10-й ювілейній міжнародній науково-технічній конференції з фізики і технології тонких плівок (травень 2005 р., м. Івано-Франківськ, Україна); 6) 2-у міжнародному радіоелектронному форумі МРФ–2005 “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” (вересень 2005 р., м. Харків, Україна); 7) всеукраїнському з’їзді „Фізика в Україні. Стан і перспективи розвитку” (жовтень 2005 р., м. Одеса, Україна).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 30 наукових працях, з них 15 статей у фахових наукових журналах та збірниках наукових праць, 2 статті у матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій, 6 тез у збірниках тез доповідей на науково-технічних конференціях, 7 авторських свідоцтв.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів (викладенню результатів досліджень в кожному розділі передує оглядова частина з питань, що розглядаються), висновків по роботі, списку використаних джерел зі 139 найменувань та додатку. Загальний обсяг дисертації складає 189 сторінок, з них 147 сторінок основного тексту, 73 рисунки та 3 таблиці, список використаних джерел на 14 сторінках, 1 додаток на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено місце дослідження в загальній проблемі, обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, задачі, об’єкт, предмет, методи дослідження, викладено наукову новизну, обґрунтовано достовірність та практичне значення одержаних результатів, відомості про особистий внесок здобувача, апробацію та публікації основних результатів дисертації.

У розділі 1 здійснено фізичне та конструкторсько-технологічне обґрунтування реалізації мікроелектронної сенсорної структури. Проведено порівняльний аналіз фізичних властивостей мікроелектронних структур з однорідним та неоднорідним середовищем. Відмічено, що в неоднорідних мікроелектронних структурах подолання носіями заряду потенційного бар’єру супроводжується зміною їх енергії, яку реєструють як зміну потенціалу на ділянці електричного кола з неоднорідністю. Абсолютне значення зміни потенціалу відбувається в межах висоти потенційного бар’єру, а параметром, що характеризує потенційний бар’єр p-n переходу, є контактна різниця потенціалів (КРП). В невиродженому напівпровіднику КРП визначається концентраціями носіїв заряду, шириною забороненої зони, роботою виходу носіїв заряду тощо, тобто, такими параметрами, які не залежать від геометричних розмірів p-n переходу, а є фундаментальними або питомими характеристиками твердого тіла. Це є важливим критерієм вибору принципу функціонування сенсорів на p-n переходах, які в мікроелектронному виконанні повинні зберігати рівень вихідного сигналу, функціональність і чутливість.

Обгрунтовано, що в мікроелектронних сенсорах доцільно використовувати механізми переносу заряду крізь неоднорідності типу потенційного бар’єру. Оскільки в мікроелектроніці найбільш розповсюдженим потенційним бар’єром є p-n перехід, то перспективними для досягнення мети в даній роботі розглядались явища, пов’язані з нерівноважним станом саме p-n переходу.

Температурні залежності КРП p-n переходу розглянуто як інструмент виявлення ефективних механізмів перетворення неелектричної величини в електричний сигнал і встановлення особливостей протікання генераційно-рекомбінаційних процесів та переносу зарядів у напівпровідникових неоднорідностях. Дослідження змін КРП від температури p-n переходу у фотовольтаїчному режимі і режимі прямого зміщення дозволило розвинути модельні уявлення про фізичні процеси функціонування діодних сенсорів і виявити аргументи моделюючої функції мікроелектронної діодної структури.

Проведено фізичний аналіз p-n переходу в нерівноважному стані при малому рівні інжекції у невиродженому кремнію в інтервалі температур 150 ... 500 К. Формалізовано нове рівняння метрологічної характеристики p-n переходу у режимі прямого зміщення та фотовольтаїчному, яке представляє напругу на p-n переході функцією: , де G – питома концентрація нерівноважних носіїв заряду. У фотовольтаїчному режимі , де gn = gp = g – швидкість генерації електронів і дірок в ОПЗ, у режимі прямого зміщення, де g=J/qLp,n, J – щільність прямого струму p-n переходу.

Отримане рівняння розглядається як математична модель метрологічної характеристики (МХ) мікроелектронних діодних сенсорів. Її аргументами є змінні, що залежать тільки від фундаментальних параметрів напівпровідника, а також від питомих концентрацій нерівноважних носіїв заряду. Параметр G, який встановлюється експериментально, узагальнює кількісні оцінки об’єктивно існуючих процесів, пов’язаних з розсіянням на неоднорідностях, генерацією, рекомбінацією носіїв заряду в напівпровіднику, явищами на омічних контактах. Перевірка отриманого результату шляхом визначення в явному вигляді термометричної характеристики (ТМХ) p-n переходу показала, що розбіжність теоретичних і експериментальних результатів становить близько 1% (див. рис. 1).

Рис.1. Моделювання зміни напруги на кремнієвому p-n переході від температури Upn(T) в нерівноважному стані при різних значеннях параметру G:

G1 = 1029 см-6;

G2 = 1030 см-6;

G3 = 1031 см-6;

G4 = 1032 см-6;

G5 = 1033 см-6.

Таким чином, сенсор, в основу функціонування якого покладено ефекти модуляції напруги на p-n переході фізичною величиною, в мікроелектронному виконанні зберігає рівень вихідного сигналу, функціональність і чутливість, якщо в якості інформативного сигналу для нього обрати фото-ЕРС або падіння напруги на p-n переході.

Відмічено, що відомі мікроелектронні конструкторсько-технологічні рішення в переважній більшості спрямовані на отриманні високої чутливості датчика шляхом підсилення слабкого сигналу сенсора (переважно струмового) інтегрованим з ним операційним підсилювачем. Технологічно таке рішення реалізується, але забезпечення сталості визначальних параметрів власне попереднього підсилювача постає самостійною схемотехнічною та технологічною задачею. Вирішення однієї проблеми загострює іншу.

В даній роботі обґрунтовано, що інтегральна мікроелектронна структура на основі послідовного з’єднання заданого числа N p-n переходів монокристалічного кремнію забезпечує мультисенсорність, високий рівень, крутизну, завадостійкість первинного електричного сигналу, електрофізичну та технологічну сумісність з МДН-транзисторами в якості пристроїв попереднього перетворення сигналу.

Здійснено вибір реалізації сенсорної структури на користь технології кремнієвих структур з діелектричною ізоляцією (КСДІ). Технологічний маршрут виготовлення сенсорної структури адаптовано до промислової технології серійних ІМС. Проведено конструкторсько-технологічне проектування, підготовку виробництва та виготовлення контрольних партій дослідних мікросхем багатосенсорної КСДІ на основі монокристалічного кремнію КЕФ-20 (100). Виготовлення підкладок КСДІ здійснено на „Заводі чистих металів”, м. Світловодськ, основні технологічні операції проведено на виробничому обладнанні НДІ мікроприладів, м. Київ. Модуль структури має размір 0,4 х 2,35 х 3,3 мм3, а кількість модулів на пластині діаметром 76 мм становить 582. У складі модуля КСДІ 6 діодних структур різної геометрії по 12 p-n переходів в кожній, 4 р-канальних МДН-транзистора з алюмінієвим затвором і 6 диффузійних резисторів (див. рис. 2). Товщина підзатворного діелектрика SiO2

Рис. 2. Розріз елементів сенсорної КСДІ після фомування міжз’єднань. VD – p-n переходи діодної структури; R – дифузійний резистор; VT – МДН-транзистор.

0,1 мкм, середня крутизна ВАХ МДН-транзистора в діапазоні температур 273 ... 313 К становить 1,5 мА/В2.

Визначено, що на основі КСДІ можна формувати на одному кристалі багатофункціональні вимірювальні перетворювачі. Показано, що здійснення остаточної комутації і конфігурування елементів структури з метою адаптації мікросхеми до розв’язку конкретної технічної задачі здійснюється на етапі формування міжз’єднань і дозволяє створювати на базі кристалу КСДІ модифікації вимірювальних перетворювачів фізичних величин.

Обгрунтовано, що застосування плівок двоокису олова як прозорого електропровідника знижує загальну ефективність перетворення оптичного випромінювання в електричний сигнал через погіршення підсилювальних властивостей МДН-транзистора, а технологічний процес формування плівки створює додаткові ризики зменшення проценту виходу якісних структур.

Розроблено технологію виготовлення безкорпусних малогабаритних мікросенсорів температури на основі КСДІ на гнучкому поліімідному кристалоносію (див. рис. 3) та виготовлено дослідні зразки на виробничому обладнанні ВО „Київський радіозавод”, м. Київ. Мікроелектронний термосенсор має об’єм близько 1,5 мм3 з підкладкою розмірами 0,4 х 0,85 х 2,35 мм3, а термочутливість термометричної характеристики (ТМХ) до 25 мВ/K (для N = 12) в діапазоні температур 220 ... 420 К.

Рис. 3. Ескіз конструкції мікросенсора в зборі. 1 – контактна площинка; 2 – золота дротинка; 3 – поліімідна смужка; 4 – струмовідвідна доріжка; 5 – підкладка з діодними структурами; 6 – захисне покриття.

У розділі 2 досліджено ТМХ термоперетворювача на КСДІ (ТП на КСДІ) у складі МДН-транзистора та лінійки послідовно з’єднаних p-n переходів (рис. 4). Проведено теоретичний аналіз температурних властивостей КСДІ і визначено температурно-залежні фактори, що формують термочутливість мікросхеми: напругу прямого зміщення діодних сенсорів Upn(T) в затворному колі МДН-транзистора, порогову напругу МДН-транзистора та його крутизну . Для останнього фактора визначальним чинником є не тільки температурна, але і польова залежність рухливості інверсних носіїв заряду в каналі МДН-транзистора.

Рис. 4. Схема комутації p-n переходів діодної структури та МДН-транзистора у складі перетворювача температури на КСДІ. VD1 … VDN – p-n переходи діодної структури; VT – МДН-транзистор.

ТМХ інтегральних p-n переходів у складі КСДІ досліджено за загальноприйнятою методикою в умовах стабільного прямого струму (10 5%) мкА крізь p-n перехід в діапазоні температур 200 ... 420 K.

Порівняння характеристик вказує на те, що ТМХ діодної структури відрізняється від ТМХ окремого p-n переходу тільки масштабом (рис. 5).

Рис. 5. ТМХ діодної структури з різною кількістю N послідовно увімкнених p-n переходів: 1 – N = 1; 2 – N = 4; 3 – N = 6; 4 – N = 8; 5 – N = 10; 6 – N = 12.

Якщо параметри p-n переходів ідентичні або близькі, що має місце в інтегральній груповій технології виготовлення мікросхем,

при сумарній напрузі діодної структури її термочутливість буде пропорційною N. В даній КСДІ N = 1 ... 72, а досяжна термочутливість становить 2 ... 150 мВ/К.

Розроблено метод встановлення фізично обґрунтованої математичної моделі рухливості носіїв заряду від температури та напруги на затворі на основі дослідження точки термопольової стабільності струму стік-витік на ВАХ МДН-структур. В околі цієї точки провідність каналу стабільна при зміні як напруги на затворі, так і температури. Тому рівняння стану зміни провідності каналу МДН-транзистора мають вид:

.

Після еквівалентних перетворень отримано рівняння: , розв’язком якого є загальний інтеграл виду , а однією з можливих форм функції є рівняння регресії другого порядку (1).

На основі експериментальних досліджень встановлено коефіцієнти апроксимуючого поліному (1): b0 = 523,1766; b1 = -37,2504; b2 = -1,3886; b3 =0,061; b4 =0,6195; b5 =0,0009. Похибка апроксимації становить s = 1,55 см2/Вс.

Зміну порогової напруги МДН-транзистора від температури в діапазоні 200 ... 420 К представляють зазвичай відомою емпіричною залежністю , де - коефіцієнт термочутливості порогової напруги. Для шару SiO2 товщиною 0,1 мкм становить 2 мВ/K при концентрації легуючих домішок у підкладці 1015 см-3.

Рис. 6. Термочутливість ТП на КСДІ (N = 12) для різних опорів навантаження R1: 1 – R1 = 2 кОм; 2 – R1 = 5 кОм; 3 – R1 = 10 кОм. Напруга живлення UЖ = 10 В. Світлі маркери – теоретична оцінка , темні маркери – експеримент . Для опору навантаження R1 = 10 кОм = 413 мВ/К.

Визначення чинників теплового впливу на вихідний сигнал приладу у складі МДН-транзистора та лінійки послідовно з’єднаних p-n переходів дозволило встановити аналітичні залежності термочутливості (100 ... 1000 мВ/К) та ТМХ приладу (див. рис. 6), які адекватно описують експеримент.

Теоретичне і практичне дослідження термометричних властивостей КСДІ обґрунтовано доводить перспективність створення на її основі високочутливих термосенсорів, типові порівняльні параметри яких наведено в таблиці 1.

Таблиця 1. Типові параметри мікроелектронних термосенсорів

Тип | Термочутливість, мВ/К | Габарити

Термопара Cu – CuNi | 0,043

Анізотропні термоелементи

Bi - Sb | 0,1

Zn – As2 | 0,35

ДТ – 450 (ІФН НАНУ) | 2 | 1 х 2 х 3 мм3

Термобатареї Геращенко О.А. | 100 ... 200 | 2000 елементів на 1 см2

ТП на КСДІ (N = 12) | 20 ... 420 | 0,4 х 1 х 2 мм3

У розділі 3 досліджено характеристики фотоелектричного перетворювача (ФЕП) на КСДІ (див. рис. 7). Як і у випадку дослідження термометричних характеристик, люкс-амперні характеристики ФЕП визначаються головним чином властивостями фотобатареї. Для представлення струму в каналі МДН-транзистора як функції освітленості визначено фотозалежні змінні в рівняннях стану МДН-транзистора: фото-ЕРС розімкненого кола фотобатареї (фактично напруга на затворі UЗ), порогова напруга та рухливість носіїв заряду в каналі МДН-транзистора, на яку впливає напруга UЗ, що є функцією освітленості Е. Інтегральна струмова чутливість ФЕП: .

Рис. 7. Схема електрична принципова мікроелектронного ФЕП на КСДІ. VD – фотобатарея діодної структури, VT – МДН-транзистор.

За результатами експериментальних досліджень визначено фотовольтаїчну характеристику фотобатареї: . Для врахування залежності використано формулу (1), а

зменшення порогової напруги МДН-транзистора через фото-ЕРС, що

виникає на індукованому p-n переході, формулу . В діапазоні температур 273 ... 313 К і напруг на затворі 4 ... 8 В середнє значення крутизни ВАХ МДН-транзистора КСДІ 1,5 мА/В2. Для пологої області ВАХ . Оскільки площа фоточутливої поверхні КСДІ – це насамперед площа діодної структури (0,1 х 2 мм2 ), інтегральна струмова фоточутливість в діапазоні освітленості 1 ... 100 лк становить від 56000 до 900 А/лм (в енергетичних одиницях для видимого світла = 150 ... 2 А/Вт), яка співставна з фоточутливістю фотоелектронних помножувачів та лавинних фотодіодів (див. таблицю 2).

Таблиця 2. Параметри кремнієвих фотоприймачів з внутрішнім фотоефектом

Тип | Інтегральна чутливість, А/Вт | Площа, мм2 | Напруга живлення, В

Фотодіоди (ФД) | 0,03 ... 0,3 | 1 -10 | 10 – 30

p-i-n ФД | 0,3 ... 0,5 | 1 -10 | 10 – 30

Лавинні ФД | 10 ... 100 | 1 -10 | 20 - 80

Фоторезистори

(CdSe, CdSe , PbS) | 105 мкА/(лмВ)100 А/Вт

[10 В; 1лм 0,0091 Вт (видиме світло)] | 20 - 200 | 10 - 100

Фототранзистори | 20 - 100 | 1 - 10 | 3 - 10

ФЕП на КСДІ (N = 12) | 2 - 150 | 2 | 5 - 20

Експериментально підтверджено, що використання фотоелектричних властивостей КСДІ є ефективним для створення координатно-чутливих сенсорів лінійних мікропереміщень. В таблиці 3 наведено порівняння координатних характеристик ФЕП на КСДІ і відомих позиційно-чутливих фотоприймачів.

Таблиця 3. Типові параметри позиційно-чутливих фотоприймачів

Тип | Матеріал | Позиційна чутливість | Примітки

Інверсійні ФД | Si | 1 мВ/мкм | 4000 ... 5000 лк

Диференційні ФД | Ge | 10 ... 100 мВ/мкм | Розрізні

Фотопотенціометр | CdS | 1 ... 10 мВ/мкм | 200 ... 400 лк

ФЕП на КСДІ | Si | 10 ... 1000 мВ/мкм | 100 ... 1 лк

На рис. 8 наведено сімейство координатних характеристик фотоперетворювача на КСДІ з різною кількістю N p-n переходів фотобатареї VD у затворному колі МДН-транзистора (Т = 300 К). Позиційна чутливість ФЕП від 950 мВ/мкм до 32 мВ/мкм в діапазоні переміщень від 7 мкм до 70 мкм відповідно.

Рис. 8. Координатні характеристики ФЕП на КСДІ з різною кількістю N p-n переходів фотобатареї.

На основі КСДІ вперше реалізовані нові високочутливі оптоелектронні вимірювальні перетворювачі, пріоритети яких захищено авторськими свідоцтвами [16 – 22].

У розділі 4 розглянуто моделювання метрологічних характеристик (МХ) вимірювальних перетворювачів. Відзначається, що удосконалення методів апроксимації метрологічних характеристик широкодіапазонних датчиків, які відповідали б основним критеріям оптимальності, триває.

Реалізовано метод ідентифікації позиційної характеристики координатного ФЕП в умовах температурного дрейфу вихідного сигналу. Обгрунтовано, що фото-ЕРС фотобатареї, яка є координатно-чутливим елементом ФЕП, є не тільки функцією координати Х світлової плями на її поверхні, але і температури Т p-n переходів фотобатареї: . При калібруванні і наступних вимірюваннях потрібно точно визначати температуру Т, що пов’язано з проблемами, які обумовлені малими розмірами p-n переходів. Запропоновано при калібруванні ФЕП визначати температуру фотобатареї, вимірюючи напругу на її прямозміщених p-n переходах (див. рис. 9; ключ К замкнено).

Рис. 9. Схема для калібрування координатного фотоперетворювача.

Рис. 10. Поверхнева діаграма функції.

Координатну характеристику моделюють регресійним поліномом (див. рис. 10). Середньоквадратична похибка апроксимації в діапазоні переміщень (0 ... 80) мкм становить 1,52 мкм.

Вперше експериментально виявлено особливості градуювання термометричних характеристик діодних сенсорів без дотримання умови стабільності прямого струму через p-n перехід. Сенсорну діодну структуру розглянуто як динамічну багатофакторну систему, а ТМХ визначена як рівняння регресії, змінні якого струм та напруга p-n переходу. Досягнута точність апроксимації становить до 0,005 К в діапазоні температур 200 ... 420 К.

Вперше в діодній термометрії для апроксимації ТМХ використано нейронні мережі. Для рішення задачі апроксимації програмними методами пакету Matlab 6.0 створена проста нейронна мережа з одним прихованим шаром та прямими зв’язками. Математична модель нейромережі представлена системою рівнянь:

де Х – вектор вхідних значень (температур); , - синаптичні (вагові) коефіцієнти зв’язків; - початкове зміщення (збудження) нейронів; - вихідний сигнал j-го

нейрону прихованого шару; , - функції активації нейронів прихованого шару і вихідного нейрону (f1 –гіперболічний тангенс, f2 – лінійна функція без зміщення); Y – вектор вихідних значень (напруг). Нейронна мережа була попередньо навчена на репрезентативній вибірці процедурою „навчання з вчителем”. Підбір синаптичних коефіцієнтів відбувається градієнтним методом з процедурою регуляризації на основі правила Байеса. Середньоквадратична похибка апроксимації експериментальних даних ТМХ ДСТ в діапазоні температур від 4 К до 360 К становила 0,001К. Точність апроксимації є рекордною для діодної термометрії і знаходиться на межі достовірного відтворювання температурної шкали.

ВИСНОВКИ

В результаті теоретичних і експериментальних досліджень, проведених в дисертаційній роботі, обґрунтовано ефективність використання сенсорних властивостей p-n переходу у нерівноважному стані у мікроелектронних вимірювальних перетворювачах неелектричних величин, розроблена нова інтегральна багатосенсорна кремнієва структура з діелектричною ізоляцією, вивчені особливості її функціонування та метрологічні характеристики, на її основі створено нові вимірювальні перетворювачі неелектричних величин з широкими функціональними можливостями, розроблено нові методи моделювання метрологічних характеристик вимірювальних перетворювачів. При цьому отримані наступні основні результати.

1. Розвинуто модельні уявлення про фізичні процеси функціонування мікроелектронних діодних сенсорів формалізацією нового рівняння метрологічної характеристики. Теоретично встановлено і експериментально підтверджено, що для нерівноважного стану p-n переходу в невиродженому кремнії при низькому рівні інжекції носіїв заряду і температурах від 150 К до 500 К у режимі прямого зміщення і фотовольтаїчному напруга на p-n переході не залежить від об’єму напівпровідника, в якому він сформований. Це є важливим критерієм вибору принципу функціонування сенсорів на p-n переходах, оскільки в мікроелектронному виконанні вони зберігають рівень вихідного сигналу, функціональність і чутливість, якщо в якості інформативного сигналу для них обрати фото-ЕРС або падіння напруги на p-n переході.

2. Обґрунтовано, що реалізація переваг мікроелектронного виконання сенсорів на p-n переходах ефективна в інтегральній КСДІ. Це забезпечує досягнення високого рівня контрольованого адитивного сигналу первинних вимірювальних перетворювачів, його високу чутливість, завадостійкість, електричну та технологічну сумісність з пристроями підсилення сигналу на МДН-транзисторах. Технологічний маршрут виготовлення сенсорної КСДІ адаптовано до технологій серійних ІМС. Підготовку виробництва та реалізацію дослідних зразків нових інтегральних вимірювальних перетворювачів здійснено засобами промислових мікроелектронних технологій „Заводу чистих металів” (м. Світловодськ), НДІ мікроприладів та ВО „Київський радіозавод” (м. Київ).

3. Вперше теоретично встановлено і експериментально підтверджено, що умовою термопольової стабілізації струму каналу МДН-транзистора є виконання рівняння . Розв’язком рівняння є фізично обґрунтована математична модель залежності рухливості носіїв заряду в приповерхневому інверсному шарі МДН-транзистора від температури та напруги на затворі.

Запропоновано і експериментально підтверджено метод встановлення рухливості носіїв заряду від температури та напруги на затворі в інверсному шарі МДН-транзистора на основі дослідження термопольової стабілізації струму стік-витік ВАХ МДН-транзистора.

4. Визначено модель термометричної характеристики КСДІ. На дослідних взірцях експериментально підтверджено теоретичні оцінки термочутливості КСДІ. Вони становлять 100 ... 1000 мВ/К. Термочутливість КСДІ в 200 раз перевершує термочутливість діодних сенсорів температури ДТ-450 і майже в 1000 раз термочутливість біметалічної плівкової термопари зплаву Cu – CuNi. Рекомендовано в діапазоні температур 200 ... 400 К використовувати термосигнал діодних структур, досяжна термочутливість яких в даній КСДІ становить 150 мВ/К, а в діапазоні 300 ... 400 К вихідний сигнал КСДІ.

5. Встановлено, що інтегральна струмова фоточутливість мікроелектронного ФЕП на КСДІ в діапазоні освітленості 1 ... 100 лк становить від 56000 до 900 А/лм (в енергетичних одиницях 150 ... 2 А/Вт), що співставно з параметрами найчутливіших фотоприймачів – лавинних фотодіодів і фотоелектронних помножувачів.

6. Експериментально підтверджено, що використання фотоелектричних властивостей КСДІ є ефективним для створення координатно-чутливих сенсорів лінійних мікропереміщень. Вихідна координатна характеристика фотоперетворювача на КСДІ має крутизну від 950 мВ/мкм в діапазоні переміщень 7 мкм до 32 мВ/мкм в діапазоні 70 мкм. На їх базі можна створювати інші високочутливі вимірювальні перетворювачі неелектричних величин: прискорення, тиску та інші.

7. Вперше експериментально виявлені і досліджені суттєво відмітні сукупності фотоелектричних та термометричних властивостей приладів на КСДІ, які використані в розробках нових оптоелектронних перетворювачів.

8. Розвинено і поширено на моделювання метрологічних характеристик діодних сенсорів методи регресійного аналізу. Сенсорну структуру розглянуто як динамічну багатофакторну технічну систему. Вперше в діодній термометрії експериментально встановлено, що градуювання ДСТ не вимагає обов’язкової стабілізації струму прямого зміщення, а ТМХ, визначена в такій спосіб, має низьку похибку апроксимації експериментальних даних: до 0,005 К в діапазоні температур 200 ... 420 К.

9. Розроблено метод ідентифікації позиційної характеристики оптоелектронного перетворювача мікропереміщень в умовах температурного дрейфу вихідного сигналу. Для цього використано ТМХ координатно-чутливого елементу, що дає змогу з максимальною точністю визначати його температуру, збільшуючи достовірність вимірювань.

10. Вперше в діодній термометрії для апроксимації ТМХ сенсора застосовано нейронні мережі. Досягнута похибка 0,001 К нейромережної апроксимації експериментальних даних в діапазоні температур 4 К … 360 К є рекордно низькою, що створює можливість визначати з високою точністю граничні метрологічні параметри зразкових діодних термосенсорів.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Клетченков И.И., Яганов П.А., Левченко О.И., Иванчиков В.Ф. Разработка способа получения и исследование станатных пленок повышенной электропроводности // Диэлектрики и полупроводники. – 1985. – Вып.27. – С.84-85.

2. Яганов П.А., Клетченков И.И. Связь фото-ЭДС холостого хода фотоэлемента с уровнем легирования р- и n-бластей // Диэлектрики и полупроводники. –1987. – Вып.31. – С.89-95.

3. Клетченков И.И., Яганов П.А. Фотоприемник в интегральном исполнении // Приборы и техника эксперимента. – 1989. – № 1. – С.236.

4. Особенности работы МДП-фототранзистора / Клетченков И.И., Яганов П.А., Любезнов А.Н. и др. // Вестник Киевского политехнического института. Радиоэлектроника. – 1989. – Вып.26. – С.81-83.

5. Координатный фотоприемник в интегральном исполнении / Бидюк А.И., Клетченков И.И., Левченко О.И., Яганов П.А. // Электронная техника. Серия 10. Микроэлектронные устройства. – 1990. - Вып.1(79), - С. 55-56.

6. Яганов П.А. Координатный фотопреобразователь с температурной стабилизацией // Электроника и связь. – 2003. – № 20. – С.208-210.

7. Яганов П.А. Кремниевые микросенсоры температуры на основе p-n перехода // Электроника и связь. – 2004. – Т. 9, № 22. – С.134-139.

8. Яганов П.А. Координатний фотоперетворювач з широтно-імпульсною модуляцією // Электроника и связь. – 2004. – № 23. – С.9 – 12.

9. Яганов П.О. Термометричні характеристики інтегрального мікроелектронного сенсора // Электроника и связь. – 2005. – № 26. – С. 21 – 26.

10. Яганов П.А. Моделирование температурных характеристик кремниевых датчиков при малых уровнях инжекции // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. – 2005. – № 6. – С.72 – 78.

11. Яганов П.О. Моделювання термопольової залежності рухливості носіїв заряду в інверсному шарі кремнієвого МОН-транзистора // Наукові вісті КПІ. – 2005. - № 3. – С. 16 – 22.

12. Яганов П.О. Оптолектронні ключові термоперетворювачі на кремнієвій структурі з діелектричною ізоляцією // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 2005. – Вып. 40. – С. 190 - 194.

13. Яганов П.О., Шварц Ю.М. Апроксимація термометричної характеристики діодних сенсорів методом багатофакторного аналізу // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія приладобудування. – 2005. – № 30. – С.5 – 11.

14. Шварц Ю.М., Яганов П.А., Дзюба В.Г. Нейросетевая аппроксимация термометрической характеристики диодного сенсора // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2005. – № 5. – С. 22 – 26.

15. Яганов П.О., Борисов О.В. Визначення позиційної характеристики координатного фотоперетворювача в умовах теплового дрейфу // Сенсорна електроніка і мікросистемні технологїї. – 2005. – № 3. – С. 23 – 29.

16. А.c. 1222140 СССР, МКИ Н01 L 21/326 Способ изготовления фотогальванического прибора в интегральном исполнении / Клетченков И.И., Яганов П.А., Левченко О.И. – Заявл. 09.04.1984. Опубл. 30.03.1986, Бюл.№ 12.

17. А.c. 1575670 СССР, МКИ 4 G01 K 7/22, H01 L 31/00. Устройство для дистанционного измерения температуры / Яганов П.А., Клетченков И.И., Политанский Л.Ф. – Заявл. 14.07.1988. Опубл. 30.06.90, Бюл.№ 24.

18. А.c. 1458722 СССР, МКИ G01 K 11/12. Оптоэлектронный тепловой ключ/ Яганов П.А., Клетченков И.И., Политанский Л.Ф.– Заявл. 06.07.1987. Опубл.15.02.89, Бюл.№ 6.

19. А.с. 1575305 СССР, МКИ G01 K 11/12. Оптоэлектронное термореле / Яганов П.А., Клетченков И.И. – Заявл. 30.06.1990. Опубл.30.06.90, Бюл. № 24.

20. А.с. 1560999 СССР, МКИ G 01 L 11/00. Фотоэлектрический датчик давления / Клетченков И.И., Яганов П.А., Мокров Е.А., Левин В.М., Любезнов А.Н., Куличков А.В. – Заявл. 30.04.1990. Опубл. 30.04.1990, Бюл. № 16.

21. А.c. 1725385 СССР, МКИ Н03 К 17/78 Координатный фотопреобразователь с цифровым выходом / Яганов П.А., Клетченков И.И., Бидюк А.И. – 1992. – Заявл. 17.10.1989. Опубл. 30.06.90, Бюл. № 24.

22. А.с. 1720444 СССР, МКИ Н01 L 31/04 Интегральная вертикальная фотовольтаическая батарея / Бирюков Е.П., Погребняк И.В., Яганов П.А. – Заявл. 20.07.1988. Опубл. 15.03.1992 , Бюл. № 10.

23. Клетченков И.И., Яганов П.А. Полупроводниковый измерительный преобразователь температуры в интегральном исполнении // В сб. “Интегральные преобразователи неэлектрических величин. Научно-техническая конференция 23 – 26 октября 1989 г.” Баку. – 1989. – С.63.

24. Клетченков И.И., Яганов П.А., Бидюк А.И. Позиционно-чувствительная МДП-структура // В сб. “Интегральные преобразователи неэлектрических величин. Научно-техническая конференция 23 – 26 октября 1989 г.” Баку. – 1989. – С.22.

25. Клетченков И.И.,