DE1804012A1

DE1804012A1 - Indirekt geheizter Thermistor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1804012A1
Application number: DE19681804012
Authority: DE
Inventors: Michel Gaultier; Villemant Claude Marie
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1967-10-20
Filing date: 1968-10-19
Publication date: 1969-08-07
Also published as: US3568125A; GB1230155A; FR1551999A; BE722608A

Description

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG₅ FREIBURG 1.Br.

Indirekt geheizter Thermistor und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Priorität der Anmeldung Nr. 125 231 vom 20. Oktober 1967 in Frankreich wird beansprucht.

Die Erfindung bezieht sich auf indirekt geheizte Thermistoren, die aus Halbleitermaterial hergestellt sind. Übliche Bauelemente dieser Art bestehen aus temperaturempfindlichen Widerständen, die aus keramischem Material oder aus Halbleiteroxyden hergestellt sind, die von einem elektrischen Widerstand aufgeheizt werden.

Auf Grund des Abstandes zwischen dem heizenden Widerstand und dem variablen Widerstand haben diese Bauelemente den Nachteil, daß sie eine große Zeitkonstante vcn unter Umständen länger als 20 see besitzen. Die unter Verwendung von Oxyden hergestellten Widerstände besteher! im allgemeinen aus polykristallinen Aggregaten. Ihr Hauptnachteil besteht oft in einer geringen Zuverlässigkeit, insbesondere bei aufeinanderfolgenden Temperaturzyklen.

Die Erfindung betrifft indirekt geheizte Thermistoren, deren temperaturabhängiger Widerstandskörper aus mono- oder polykristallinem Halbleitermaterial besteht. Die geschilderten Nachteile, deren Behebung sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht hat, v/erden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß die eine Oberfläche des Widerstandskörpers mit einer Siliciutnoxydschicht bedeckt ist, daß auf die Siliciumoxydschicht eine Glasschicht aufgebracht ist und daß die Glasschicht eine als Heizwiderstand dienende Metallschicht trägt. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Gehalt des Halbleitermaterials an Donatoren oder Akzeptoren entsprechend dem

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gewünschten Temperaturbereich der Widerstandsänderung und entsprechend der gewünschten Temperaturabhängigkeit gewählt ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Glasschicht elektrisch gut isolierend und gut wärmeleitend ist und daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des verwendeten Glases in der Nähe des Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials liegt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen einerseits darin, daß sich die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Thermistoren nach aufeinanderfolgenden TemperaturZyklen oder ^l durch Alterung praktisch nicht verändern', und andererseits darin, daß ihre Zeitkonstante zu kleinen Werten vermindert ist, nämlich auf 0,5 bis 3 see.

Die Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich klarer aus der nun in

Figuren.

Zusammenhang mit den in der Zeichnung dargesteilten/erf olgenden näheren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine typische Kennlinie der Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der Temperatur für zwei bekannte Kalbleitermaterialien, nämlich Germanium und Silicium;
Fig. 2 zeigt die Kennlinie des spezifischen Widerstandes in Abhängigkeit von

der Temperatur für verschieden dotierte Siliciumproben; Fig. 3 zeigt drei Kennlinien 1, 2, 3 der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der

Temperatur und der Donatoren- oder Akzeptoren-JConzentration von Germanium; " Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt einen Thermistor nach der Erfindung.

Die Kennlinie der Fig. 1 zeigt die Änderungen der Parameter der folgenden Gleichung in Abhängigkeit von der Temperatur;

— = e (n,u fp.u )
λ W η ^v I ρ

In dieser Gleichung bedeutet O den spezifischen Widerstand, e die Ladung eines Elektrons, η die Anzahl der freien Elektronen (negative Ladungsträger), ρ die Anzahl der freien Löcher (positive Ladungsträger), .u die Beweglichkeit der Elektronen und .u die Beweglichkeit der Löcher.

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Der Zweig AB der Kennlinie der Fig. 1 entspricht der Vermehrung der Ladungsträger aufgrund der Ionisation der Verunreinigungen und aufgrund der Erhöhung ihrer Beweglichkeit. Im Zweig BC verändert sich die Anzahl der Ladungs^ träger nicht, die Beweglichkeit geht jedoch durch ein Maximum. Im Zweig CD fällt der spezifische Widerstand aufgrund der Vermehrung der Anzahl der intrinsischen Ladungsträger. Aufgrund der Tatsache, daß Germanium und Silicium verschiedene Kristallgittercharakteristiken besitzen, haben die Temperaturen . T- und T , die den Punkten B unc C entsprechen, verschiedene Werte bei Silicium und Germanium.

Für Silicium liegt die Umgebungstemperatur im Zweig BC der Fig. 1 und die Temperatur T zwischen 200 und ¹^OO C, entsprechend der gewählten Dotierungskonzentration. Thermistoren aus Silicium sind Elemente mit positivem Temperaturkoeffizienten, aber mit kleinem Hub: der Widerstandswert im Punkt C ist ungefähr zweimal so groß wie der bei Umgebungstemperatur.

Für Germanium befindet sich die Temperatur T in der Nähe der Umgebungstemperatur. Aus Germanium hergestellte Thermistoren besitzen daher einen negativen Temperaturkoeffizienten und eine größere Empfindlichkeit als die aus Silicium hergestellten.

Die Fig. .2 zeigt die änderung des spezifischen Widerstand« s in Abhängigkeit von der Temperatur für verschieden stark dotierte SiliciumprolAan. Die Fig. 3 zeigt Kennlinien 1, 2, 3, die die änderung der Leitfähigkeit in Abhängigkeit vcn der Temperatur und von der Donatoren- und Akzeptorenkonzentration für verschiedene Proben aus einkristallinem Germanium angeben.

Alle Kennlinien besitzen bei hohen Temneraturen einen gemeinsamen Verlauf, denn die Leitfähigkeit wird im wesentlichen von den intrinsischen Eigenschaften des einkristallinen Peracniuns bestimmt. Die Kennlinien der Fig. 1,2 und 3 sind bekannter Stand der Technik. Falls nötig, findet man leicht vollständigere Ausführungen bezüglich der Eigenschaften von Halbleitern in den in den letzten Jahren erschienen Büchern von li.B.Hanney "Semiconductors" oder von W.R.Runyan "Silicon Semiconductor Technology".

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Aufgrund der gezeigten Kennlinien erkennt man besser, daß das Halbleitermaterial, hinsichtlich seines spezifischen Widerstandes und des Dotierungstyps ausgewählt werden muß, um den gewünschten Arbeitsbereich des Thermistors zu erhalten.

Den Aufbau eines Thermistors nach der Erfindung zeigt Fig. 4. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet den Halbleiterkörper. Eine Schicht 2 aus Siliciumoxyd und eine Glas-' schicht 3 isolieren den Halbleiterkörper 1 von einer metallischen Schicht 5, die den Heizwiderstand bildet. Der Halbleiterkörper 1 besitzt zwei ohmsche Kontakte 4, an die zwei Zuleitungen 10 und 11 angelötet sind. Der Heizwiderstand 5 besitzt zwei Kontakte, die von zwei auf ihm angebrachten Metallschichten 6 und 7 gebildet W werden. Wenn man den Thermistor in Betrieb setzt j werden die Zuleitungen 8 und 9 von einem Strom gespeist, der sich in der Widerstandsschicht 5 verteilt und'deren Temperatur erhöht. Die Wärme wird zu der dünnen Glasschicht 3 und dann zum Halbleiterkörper 1 transportiert. Seine Temperatur steigt an, und es ergibt sich somit eine Änderung des Widerstandes zwischen den beiden Zuleitungen 10 und 11.

Die nun folgende Beschreibung'bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel eines Thermistors aus Germanium; jedoch ist diese Technik auch vollständig auf Thermistoren aus Silicium mit einigen noch zu schildernden Änderungen anwendbar. Zunächst schneidet man eine Scheibe von ungefähr 0,4 mm Dicke und einigen Zentimetern Durchmesser von einem handelsüblichen einkristallinen Stat aus η-leitendem Germanium eines spezifischen Widerstandes von ungefähr 40 Ohn^m ab. Die Scheibe wird ^ dann feingeläppt, um zwei ebene und parallele Oberflächen zu erhalten. Dann wird zuerst mechanisch und anschließend chemisch poliert, beispielsweise mit der Säurelösung CP U, so daß die Dicke der Scheibe auf ungefähr 0,1 mm verringert wird.

Der nächste Schritt besteht im Aufbringen der Schicht 2, die als Siliciummonoxydschicht auf die eine Oberfläche der.Germaniumscheibe im Vakuum aufgedampft wird, um Einwirkungen auf die Oberfläche des Germaniums während des nachfolgenden Verfahrensschrittes zu unterbinden. Im Fall von Thermistoren aus Silicium kann dieser Verfahrensschritt weggelassen werden.

Anschließend wird die Glasschicht durch Zentrifugieren aufgebracht. Hierzu wird das Glas zunächst bis zu einem mittleren Korndurchmesser von ungefähr 1 ,um fein ge-

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mahlen und dann in einer Mischung aus Äthylalkohol und Amylazetat suspendiert. Man bringt die Germaniumscheibe in ein Reagenzglas mit ebenem Boden und gibt eine bestimmte Menge der Suspension hinein. Unter der Wirkung einer Zentrifuge setzen sich die Glaskörner als gleichförmige Schicht auf dem Germaniumkörper ab.

Das Glas wird nun auf dem Germaniumkörper in einem auf einer Temperatur von ungefähr 800 C gehaltenen Ofen und unter neutraler Atmosphäre geschmolzen. Danach ist die Glasschieht 3 bis 4 ,um dick. Das Glas muß ein guter elektrischer Isolator, aber auch ein guter Wärmeleiter sein und einen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der dem von Silicium oder Germanium benachbart ist. Unter handelsüblichen Gläsern besitzt das unter dem Handelsnamen Corning 7059 bekannte Glas diese Eigenschaften, und es wurde unter diesen Gesichtspunkten ausgewählt.

Nach dem Schmelzen des Glases reinigt man die freie Oberfläche der Gerraaniumscheibe, um sämtliche Spuren von Verunreinigungen zu entfernen. Dann werden die Kontakte U angebracht, indem man unter Vakuum reines Gold durch eine Metallmaske hindurch aufdampft, während die Germaniumscheibe kalt ist. Dann erhitzt man in inerter Atmosphäre auf 400⁰C, um eine Gold-Germanium-Legierung zu bilden. Im Fall von Silicium kann man, um den Übergangswiderstand zu reduzieren, vor dem Aufdampfen des Goldes eine η -Diffusion, falls das Ausgangssiliciiam n-leitend war, oder eine ρ -Diffusion, falls das Ausgangssilicium Tj-leitend war, vornehmen.

Nun wird die Metallschicht 5 auf die Glasschicht 3 aufgebracht. Ein Chrcau-Nickel-Draht einer .Zusammensetzung von 80 % Nickel und 20 % Chr.>m wird unter Vakuum verdampft und auf der Glasschicht abgeschieden. Die niedergeschlagene Schicht wird mittels eines Vergleichswiderstandes kontrolliert; der Gerraaniumkörper wird während des Aufdampfens auf einer Temperatur von 380⁰C gehalten.

Vor dem Anlöten der Zuleitungen bringt man auf die Chrom-Nickel-Schicht an den vorgesehenen Stellen leicht lötbare Metalle auf. Durch eine Maske hindurch dampft man hierzu mittels Erhitzens im Vakuum zuerst eine reine Nickelschicht auf, um die Schicht 6 zu bilden, wobei der Germaniumkörper auf ungefähr 380 C gehalten wird. Dann bringt man durch Erhitzen in Vakuum reines Gold auf, um die Schicht 7 zu bilden, während der Ger-maniumkörper auf einer Temperatur von 250⁰C gehalten wird.

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Die so gebildete Germaniumscheibe wird dann mit einer Diamantspitze geritzt und zerbrochen, um Scheiben kleinerer Abmessungen zu erhalten. Auf jedem der Kontakte 4 und 7 der Fig. 4 wird dann ein Golddraht von 25 .um Durchmesser mittels des . Thermokompressionsverfahrens angebracht.

Die Scheibe wird dann mit den vier Elektroden eines Gehäuses nach dem Normtyp TO 5 verbunden, wobei jeder Draht an eine isolierte Durchführung angelötet wird. Das Gehäuse wird dann unter Vakuum, das mittels einer zwischengeschalteten Vakuumpumpe erzeugt wird, verschlossen. Diese Montageart des Thermistors gewährleistet einen honen Wärmewiderstand zwischen dem Thermistor und der Umgebung. Da der Widerstand eines Thermistors nicht nur von dem spezifischen Widerstand des HaIb- W leitermaterials, sondern auch von seinen Abmessungen abhängt, müssen die Abmessungen der Halbleiterscheibe genau eingehalten werden.

Die nachfolgenden Beispiele zeigen deutlich die nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltenen Ergebnisse und den Einfluß der Abmessungen des Halbleiterkörpers des Thermistors.

Beispiel 1:

Germaniumscheibe von 0,3 χ 0,4 χ 0,1 mm
Widerstandsbereich: 300 bis 30 Jl. '
Leistungsbereich: 0 bis 22 mW

parasitäre Kapazität zwischen dem Germaniumwiderstand"und dem V Heizwiderstand: 3,2 pF

Isolationswiderstand zwischen dem Germanium und dem Heizwiderstand: größer als 5 GXL bei 20 V Zeitkonstante; 1 see

Beispiel 2:

Germaniumscheibe von 1,1 χ 0,4 χ 0,1 mm
Widerstandsbereich: 2400 bis 100 JCl.
. Leistungsbereich 0 bis 30 mW

parasitäre Kapazität zwischen Germanium und Heizwiderstand: 6 pF Isolationswiderstand zwischen Germanium und Heizwiderstand: größer als 5 GAbei 20 V 90 9 832/0 839

Zeitkonstante: 0,5 see - 7 -

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Diese Thermistoren besitzen die verschiedensten Anwendungsgebiete, von denen zwei typische genannt seien. Beim ersten steuert man automatisch den Ausgangspegel eines Oszillators_a indem man einen Teil der Ausgangsleistung des Oszillators zur Heizung des Thermistors mittels des zwischengeschalteten Keizwider'standes verwendet. Die Widerstandsänderung.ruft eine Änderung der Rückkopplung hervor.

Bei der zweiten Anvrendung steuert man die Ausgangsleistung eines Telephonverstärkers in Abhängigkeit von der temper-aturbedingten Kabeldämpfungsänderung. Der Thermistor wird in Reihe mit dem Verstärker geschaltet. Ein die Kabeltemperatur messender Fühler steuert die Leistungsänderung des Heizwiderstandes des Thermistors. Diese Änderung wirkt direkt auf den Ausgangspegel ein.

Das Verfahren der Erfindung wurde in Zusammenhang mit der Herstellung von Thermistoren aus Germanium und Silicium beschrieben, es kann jedoch auch ebenso auf Am B^-Verbindungshalbleiter angewendet werden.

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Claims

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1. Indirekt geheizter Thermistor, dessen temperaturabhängiger Widerstandskörper aus mono- oder polykristallinem Halbleitermaterial besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Oberfläche des Widerstandskörpers mit einer Sil,iciumoxydschicht bedeckt ist, daß auf die Siliciumoxydschicht eine Glasschicht aufgebracht ist und daß die Glasschicht eine als Heizwiderstand dienende Metallschicht trägt.

P 2. Thermistor nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet, daß die Donatorenoder Akzeptorenkonzentration des Halbleitermaterials entsprechend dem gewünschten Temperaturbereich der Widerstandsänderung und entsprechend der gewünschten Temperaturabhängigkeit gewählt ist.

3. Thermistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht elektrisch gut isolierend und gut wärmeleitend ist und daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des verwendeten Glases in der Nähe des Ausdehnungskoeffizienten des Kalbleitermaterials liegt.

4. Verfahren zum Herstellen eines indirekt geheizten Thermistors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die eine Oberfläche einer mechanisch und chemisch polierten Scheibe aus mono- oder poly-

" kristallinem Germanium eine Silicium-Oxydschicht aufgebracht wird, daß auf die Silicium-Oxydschicht mittels Zentrifugierens eine Glasschicht aufgebracht und die Glasschicht in einem auf 800 C gehaltenen Ofen zum Schmelzen gebracht wird, daß auf die Glasschicht durch Aufdampfen.im Vakuum eine Nickel-Chrom-Schicht aufgebracht wird, daß durch Aufdampfen im Vakuum ohmsche Kontakte aus Nickel oder Gold angebracht werden, daß durch Erhitzung ohmsche Gold-Germanium-Kontakte gebildet werden, daß nach dem Zerteilen der Scheibe in Stücke gewünschter Abmessungen Zuleitungsdrähte aus Gold mittels Thermokompressionsschweißens an den ohmschen Kontakten angebrachten werden und daß die Zuleitungsdrähte an den Ausgangselektroden eines Gehäuses angelötet werden und das Gehäuse im Vakuum verschlossen wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Silicium verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial A ^ B -Material verwendet wird.

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