DE19727972A1

DE19727972A1 - Halbleitersubstrat mit temperaturstabilisierbarer elektronischer Schaltung

Info

Publication number: DE19727972A1
Application number: DE19727972A
Authority: DE
Inventors: Ihlenfeld Waldemar Gui Kuerten
Original assignee: Individual
Current assignee: Kuerten Ihlenfeld Waldemar Guilherme Dr Curiti
Priority date: 1996-07-02
Filing date: 1997-07-02
Publication date: 1998-01-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitersubstrat mit temperaturstabilisierbarer elek tronischer Schaltung, bei dem die elektronische Schaltung, ein einen Transistor enthaltendes Heizelement und ein Temperaturfühler auf dem Substrat angeord net sind und dem Transistor Steuergrößen von der elektronischen Schaltung und vom Temperaturfühler zur Stabilisierung der Temperatur des Substrats we nigstens im Bereich der elektronischen Schaltung zugeführt werden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Schaltung mit und eine Verwendung von derartigen Halbleitersubstraten sowie ein Verfahren zur Bemessung der Geometrie eines Transistors.

In vielen Bereichen der Präzisionsmeßtechnik werden elektronische Schaltun gen verwendet, die sehr strengen Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Präzision genügen müssen. Diese Schaltungen sind zum Bei spiel, nur um einige zu nennen, Präzisions-Gleichspannungsreferenzquellen, Offset-stabilisierte Präzisions-Verstärker und thermoelektrische Sensoren. Letztere dienen zum Beispiel zur Bestimmung des effektiven Wertes von elektri schen Wechselgrößen. Es hat sich gezeigt, daß Temperaturstabilisierung eines Halbleitersubstrates mit wenigem Aufwand erzielt werden kann, wenn dessen Betriebstemperatur höher als die der Umgebung gehalten wird. Die Tempera turstabilitätsanforderungen von solchen temperaturgeregelten elektronischen Schaltungen zum industriellen Einsatz müssen im allgemeinen nicht allzu stren gen Anforderungen genügen, während sie z. B. im Bereich der Meßtechnik oder Metrologie hoch sind. Ein gutes Beispiel dafür ist die Temperaturstabilisierung einer Präzisionsgleichspannungsquelle mit "Bandgap"-Zener-Dioden. Heutzutage ist die Halbleiter-Technologie so weit fortgeschritten, daß die in solchen Referenz-Dioden erzeugte Gleichspannung eine sehr kleine Tempera turabhängigkeit aufweist. Eine Temperaturregelung mit Toleranzen im Bereich von einigen Zehnteln Grad gewährt der Ausgangsspannung eine Stabilität im Bereich von einigen 1 · 10^-06.

Solche Substrate, wie einleitend beschrieben, sind durch die DE 41 17 133 C1 bekannt. Darin ist ein Leistungsmeßkonverter beschrieben, der zwei Signale, eine elektrische Spannung u und einen elektrischen Strom i in einem Transistor thermisch multipliziert. Die Multiplikation dient der Durchführung von Wech selstrom/Gleichstrom (AC/DC)-Transfer-Messungen oder von Leistungsmes sungen. Der Leistungsmeßkonverter wird für genaueste Leistungsmessungen und Energiemessungen verwendet, ebenso zu deren Charakterisierung. Ge nutzt wird er aber auch im Bereich der Massenerzeugung entsprechender Meßgeräte sowie bei der Signalverarbeitung als hochpräziser Multiplizierer. Hier dient der auf einem Substrat angeordnete Transistor als spannungs-steuerbarer Widerstand, der den von außen zugeführten Eingangsstrom aufrecht erhält. Bei seinem Betrieb wandelt er eine Wechselleistung in Wärme um, welche aus der Multiplikation der am Drain-Anschluß angelegten Wechselspannung und dem Wechselstrom im Kanal des FETs resultiert. Infolge der Umwandlung der Leistung in Wärme erhöht sich die Temperatur des Substrates. Der Einfluß der Umgebungstemperatur auf den Meßprozeß wird dadurch minimiert, daß in ei nem gemeinsamen Behältnis zwei getrennte, in Bezug zum Umgebungswärme fluß symmetrisch angeordnete Unterlagen oder Trägersubstrate mit gesteuerten Widerständen und Wärmefühlern vorgesehen sind. Das System auf der einen Unterlage stellt dabei ein Meßsystem, das auf der anderen ein Referenzsystem dar.

Bei Multiplizier-Schaltungen wie dem in dem deutschen Patent 41 17 133 C1 beschriebenen Leistungsmeßkonverter (Three-Terminal-Thermal-Converter- TTTC), ist der Transistor der Multiplizierer und Wärmeumwandler zugleich.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Temperaturregelung bei manchen Steuersignalen Störungen in Form von Nichtlinearitäten zeigt, insbe sondere bei Veränderungen von Steuersignalen aus Gleichströmen und/oder Niederfrequenzen. Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, daß diese Nichtlinearitäten in der Temperaturregelung darauf beruhen, daß bei unterschiedlichen Arbeitspunkten eines Transistors innerhalb des Transistors eine damit gekoppelte örtliche Verschiebung der in Wärme umgewandelten Leistung erfolgt, die eine Veränderung der Temperaturverteilung auf dem gesamten Substrat und infolgedessen eine Änderung des vom Temperaturfühler gemessenen Wertes von dem entsprechend eingestellten Sollwert bewirkt.

Bei Verwendung von Transistoren in der Mikrowellen-Technik erweist sich eine solche Temperaturerhöhung im Transistor als Störgröße, da dabei die Mobilität der Ladungsträger bei Temperaturerhöhung geringer wird. Es ist daher bekannt, Transistoren auf einem thermisch gut leitenden Substrat aufzubringen, um einen möglichst schnellen und guten Wärmeabtransport vom Transistor weg zu erhalten, damit dessen Temperatur keine zu hohen Werte annimmt.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Temperaturstabilisierung, auch im Bereich solcher Steuersignale.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Wei terbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Im Prinzip besteht die Erfindung bei einem Halbleitersubstrat mit temperatur stabilisierender elektronischer Schaltung, bei dem die elektronische Schaltung, ein einen Transistor enthaltendes Heizelement und ein Temperaturfühler auf dem Substrat angeordnet sind und dem Transistor Steuergrößen von der elek tronischen Schaltung bzw. einer externen Regelschaltung und vom Temperatur fühler zur Stabilisierung der Temperatur des Substrates wenigstens im Bereich der elektronischen Schaltung zugeführt werden, darin, daß der Transistor so ausgebildet und bemessen ist, daß unerwünschte Temperaturänderungen des Substrates aufgrund einer steuerungsbedingten örtlichen Ausweitung des die Temperatur im Transistor beeinflussenden Sättigungsbereichs verringert wer den. Der Sättigungsbereich ist dabei zugleich ein wärmeerzeugender Bereich wobei in diesem Bereich die vorhandene Wärmemenge sehr hoch bzw. maximal ist, also eine diesbezügliche Sättigung vorliegt.

Dadurch wird eine Auslegung der Topologie eines Heizelementes in Form eines Feldeffekt-Transistors (FET) angegeben, durch die die thermischen Effekte ei ner Sättigungsbereichsausweitung im Kanal des FETs minimiert wird. Der Tran sistor wird als Heizelement auf dem Halbleistersubstrat eingesetzt, zusammen mit der thermisch zu stabilisierenden elektronischen Schaltung.

Es wird also ein möglichst hoher thermischer Widerstand gewünscht, um die Temperatur und die Empfindlichkeit des Temperaturfühlers zu erhöhen. Da durch werden die elektrischen und thermischen Eigenschaften der im Substrat befindlichen elektronischen Bauelemente beeinträchtigt, die Bauelemente da durch langsamer, auftretende Leckströme größer und thermische Unsymmetrien viel ausgeprägter und deutlicher. Besonders bevorzugt werden daher aber Gal lium-Arsenid MESFETs (Metal-Semi-conductor-FET) als Multiplizierer verwen det, da dabei eine Wechselleistung bis in den Mikrowellen-Frequenzbereich in Wärme umgewandelt und gemessen werden kann. Gerade bei dieser Anwen dung sollten nicht örtliche thermische Nichtlinearitäten aufgrund der Ausweitung des Sättigungsbereichs im FET die Genauigkeit der Messungen beeinträchti gen. Die FET-Heizelemente weisen deswegen eine bestimmte Geometrie oder Topologie auf, damit die Auswirkungen derartiger Effekte minimiert werden kön nen.

Durch die anwendungsspezifisch ausgelegte und diesbezüglich optimierte Geometrie des Heizelementes wird vorteilhaft erreicht, daß bereits innerhalb des Transistors eine Erhöhung der Temperatur in einem Weg durch eine Verringe rung der Temperatur in einem anderen, aber nahen Weg kompensiert wird. Das Heizelement kann ein implantierter Widerstand, ein bipolarer Transistor oder ein FET (Feld-Effekt-Transistor) sein.

Durch Anwendung von lithographischen Techniken in der Mikroelektronik kön nen erfindungsgemäß Transistoren oder Heizelemente besonders bevorzugt mit großer Genauigkeit nebeneinander plaziert werden, insbesondere mit einer Ge nauigkeit im Bereich von einigen Mikrometern. Aufgrund der besonders optimier ten Layoutwahl der einzelnen Elemente auf dem Substrat lassen sich thermi sche Unsymmetrien vorteilhaft weitestgehend kompensieren oder sogar so ge stalten, daß sie unbemerkbar werden. Derartige thermische Unsymmetrien können bei JFETs (Junction-FET) und MESFETs durch die Verlängerung der Verarmungszonen neben dem Gate- und Drain-Anschluß und durch die Länge des abgeschnürten Kanals (saturation channel-length) und bei MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor-FET) durch die Änderung des Sättigungsbereiches im Kanal des jeweiligen Transistors hervorgerufen werden.

Besonders bevorzugt werden Feldeffekt-Transistoren als Heizelement erfin dungsgemäß verwendet. Zwar ändert sich bei bipolaren Transistoren bei Erhö hung der Sperrspannung am Kollektor ebenfalls die Dicke der Verarmungszone zwischen Basis und Kollektor. Jedoch werden die bipolaren Transistoren durch ein Stromsignal und nicht durch ein Spannungssignal an der Basis gesteuert. Da ein solches Spannungssignal jedoch bei den erfindungsgemäß verwendeten Thermokonvertern für die örtliche Verschiebung der in Wärme umgewandelten Leistung (auch als Sättigungsbereichsausweitung bezeichnet) verantwortlich ist und im Zweifel gebraucht wird, werden zwar bipolare Transistoren als Heizelemente für viele thermostabilisierte Schaltungen verwendet, vorzugsweise nicht jedoch für Thermokonverter.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausfüh rungsbeispiele anhand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Diese zei gen in

Fig. 1 eine perspektivische Prinzip-Darstellung des erfindungsgemäßen Substrates mit Bauelementen;

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Halbleiter-Substrates mit Spannungsquel len;

Fig. 3 eine Prinzipskizze des Substrates gem. Fig. 2 mit einem Ein-Kanal- FET als Wärmequelle;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines MOSFET-Heizelementes;

Fig. 5 eine Prinzipskizze eines Substrates mit zwei FETs oder einem Doppel-Kanal-FET;

Fig. 6 ein erstes Ausführungsbeispiel des Heizelements des Substrats ge mäß der Erfindung;

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform mit zwei Heizelementen;

Fig. 8-10 eine Darstellung der Wärmeverteilung im Heizelement gem. Fig. 7;

Fig. 11 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 12 eine Darstellung eines prinzipiellen Schaltungsaufbaus für Heizele mente gem. der vorigen Figuren; und

Fig. 13 eine bemaßte Darstellung des Heizelementes auf dem Substrat gem. Fig. 7.

In Fig. 1 ist in perspektivischer Darstellung das Prinzip der Erfindung gezeigt, mit einem Substrat 1, auf dessen Oberfläche mit Abstand voneinander eine elektronische Schaltung 2, ein Heizelement 3 und ein Temperaturfühler 4 an geordnet sind. Das Substrat 1 ist ein Stück eines von der Umgebung isolieren den Substrates S. Das Heizelement 3 ist vorzugsweise ein Transistor 31 mit Anschlüssen oder Elektroden 32, 33, 34, 35, denen Steuersignale zur Verände rung der Leistung des Transistors 31 und damit seiner Temperatur zugeführt werden. Der Temperaturfühler 4 kann eine Diode, ein bipolarer Transistor, ein JFET ("Junction-Field-Effect-Transistor"), ein MESFET ("Metal-Field-Effect- Transistor") oder ein temperaturabhängiger Widerstand sein oder einen solchen enthalten. Die in einem Rechteck oder einer anderen Begrenzung eingegrenzte Schaltung 2 kann eine beliebige elektronische Schaltung sein, die tem peraturstabilisiert werden soll. Sie kann ebenfalls als ein zweites Heizelement dargestellt werden, da in ihr eine Leistung ebenfalls in Wärme umgewandelt wird, weil ihre Funktion von äußeren Energiequellen aufrechterhalten wird. Das Substratmaterial kann irgendein Halbleiter sein, z. B. Gallium-Arsenid, Silizium, Germanium oder andere.

Zur Verdeutlichung der Effekte durch die sog. Sättigungsbereichsausweitung auf dem Halbleitersubstrat sind im folgenden Prinzipskizzen des Halbleiter substrates mit aufgefügtem oder inplantiertem Temperatursensor und Heizele ment dargestellt in den Fig. 2 bis 5. Das Halbleitersubstrat ist dabei isoliert von der Umgebung auf einer Isolierschicht aufgebracht oder aber in sich tra gend durch Befestigung einer seiner Enden an einer ebenen Fläche, vorzugs weise einer Wand in Form einer Balken-Struktur. Das Heizelement 3 ist als Lei stungsquelle jeweils in Form eines Streifens dargestellt. Der Temperaturfühler 4 ist als Kästchen stilisiert und an einer beliebigen Stelle auf dem Substrat ange ordnet. Er liefert gemäß Fig. 2 ein Spannungssignal Vt, welches gegen eine hochstabile Spannungsreferenz Vref verglichen wird. Ein Verstärker V1 ermittelt aus diesen beiden Spannungen die Differenzspannung Vd. Diese Differenz spannung wird in das Heizelement in Form des Feldeffekt-Transistors 3 als Drain-Spannung eingespeist. Der Feldeffekt-Transistor wird von einem konstan ten Strom I aus einer Konstantstromquelle durchflossen. Die Differenzspannung Vd aus dem Verstärker V1 ist negativ rückgekoppelt an das Heizelement 3, wo durch die Temperatur im Temperaturfühler 4 konstant bleibt. Die Leistung, die im Heizelement (Feldeffekt-Transistor) in Wärme umgewandelt wird, errechnet sich aus dem Produkt aus Differenzspannung Vd und dem konstanten Strom I.

Das Problem der nicht konstant auf einer bestimmten Position bleibenden Wär mequelle in Form des Heizelementes ist in Fig. 3 dargestellt. Je größer die Drain-Spannung an dem Heizelement wird, desto mehr breitet sich die in Wärme umgewandelte Leistung bzw. der Sättigungsbereich seitlich aus und damit auch die Wärmequelle in Form des Heizelementes. Da die Leistung auf einer Fläche verteilt ist, bleibt demgemäß die Wärmeverteilung auf dem Substrat für die FET-Wärmequelle und den Temperaturfühler nicht örtlich konstant.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Heizelementes in Form eines MOSFETs. Dieses weist auf seiner Oberseite einen Source-, Gate- und einen Drain-An schluß und auf seiner Unterseite einen Bulk-Anschluß, also einen Anschluß an das p-Substrat Sp auf. Das entsprechende Substrat unterhalb des Source- und des Drain-Anschlusses ist n-dotiert. Zwischen diesen beiden Anschlüssen bildet sich eine ungesättigte und eine gesättigte Kanalregion 50, 51 aus. Umgekehrt dazu ist die Verarmungszone 52 um die beiden n-dotierten Anschlußzonen herum ausgebildet. Auf der Oberseite des Substrates ist zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluß eine Oxid-Schicht 53 und darüber eine Gate-Metallisie rung 35a mit Anschluß des Gate-Anschlusses vorgesehen.

Die Länge der gesättigten Kanalregion 51 wird im L bezeichnet. Der größte An teil der im Feldeffekt-Transistor produzierten Wärme wird auf dieser Länge L aufgebracht, direkt in einer sehr dünnen Kanalschicht zwischen dem Halbleiter und der Oxid-Schicht. Wird die zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluß herrschende Spannung Vds erhöht, erhöht sich ebenfalls die Länge L in Rich tung zum Source-Anschluß und dadurch die Fläche unterhalb der Gate-Elek trode, in der die Wärme erzeugt wird. Dies bedeutet, daß die in Wärme umge wandelte Leistung im Feldeffekt-Transistor nicht örtlich fixiert bleibt, sondern sich entlang dem Kanal ausweitet.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird der eine Feldeffekt-Transistor, wie er in den vorigen Figuren dargestellten ist, in einen Multi-Anschluß-Feldeffekt- Transistor aufgespalten. Eine Ausführungsform eines solchen Feldeffekt-Tran sistors ist in Fig. 5 skizziert. Dabei sind zwei Feldeffekt-Transistoren in umge kehrter Reihenfolge zueinander plaziert, in sogenannter "Back-to-Back"-Orien tierung. Wenn sich dabei der Sättigungsbereich des einen Heizelementes als Leistungsquelle in eine Richtung ausweitet, weitet sich der Sättigungsbereich des anderen Heizelementes 5 in die entgegengesetzte Richtung aus. Dadurch wird der Effekt der Wärmeumverteilung oder Sättigungsbereichsausweitung auf dem Substrat dort, wo die Heizelemente angeordnet sind, aus Sicht des Temperaturfühlers nicht mehr wahrnehmbar. Für die praktische konstruktive Umsetzung muß jedoch beachtet werden, daß die Wärmeleitfähigkeit des Substrates sich mit der Temperatur ändert. Zudem sind Wärmeverluste durch Metallisierungen vorhanden, und auch der Arbeitspunkt des Heizelementes bleibt nicht notwendigerweise konstant. Der Kanal des JFETs oder MESFETs weist im Bereich des Gateanschlusses eine Verarmungszone auf, die den Strom im Kanal steuert und die Wärmeverteilung bzw. Temperaturverteilung im Kanal beeinflußt. Bei JFETs und MESFETs kann dieses Problem der Wärmeumverteilung in erster Näherung dadurch gelöst werden, daß die Dicke der Verarmungszone neben dem Gate-Anschluß und die Länge des Sättigungsbereichs im Kanal ermittelt wird. Bei einem FET wird nämlich der Strom im Kanal durch eine am Gateanschluß angelegte Spannung geregelt.

Bei FETs kann durch die Neigung der Kennlinien des Drain-Stroms in Auf tragung über der Drain-Source-Spannung experimentell eine Änderung der verengten Kanallänge (pinch-off length) ermittelt werden. Dadurch jedoch kann bloß eine grobe Abschätzung der Kanalverengung bei JFETs und MESFETs bzw. der Länge im Sättigungsbereich bei MOSFETs ermittelt werden. Hieraus wiederum kann auf die Leistungsverschiebung bzw. Wärmeumverteilung als Größe geschlossen werden.

Das Problem einer nicht örtlichen Erzeugung von Wärme in FETs tritt meist bei Gleichspannungsbetrieb auf. Zur Abschätzung der Wärmeverteilung auf der Oberfläche des Thermokonverters bei Gleichstrombetrieb oder bei Wechsel strombetrieb sollte die Dicke der Verarmungszone und die Länge des verengten Kanals bekannt sein. Bei dieser Abschätzung werden vorteilhaft mathematische Modelle basierend auf thermischen Greene-Funktionen und Finite-Fourier- Transformationen angewendet. Dabei wird die Oberfläche des Heizelementes durch entsprechende Rechtecke angenähert und eingegrenzt. Soll eine Be rechnung in Form einer analytischen Lösung erfolgen, kann dies nur für homo gene Oberflächen ohne Metallisierungen geschehen. Der Grund dafür liegt insbesondere darin, daß die Wärmeverteilung auf der Oberfläche des Substra tes durch Diskontinuitäten nicht mehr durch analytische Lösungen auffindbar ist. Sollen die Metallisierungen mit berücksichtigt werden, wird vorzugsweise ein numerisches Rechenverfahren verwendet, wie beispielsweise die Finite-Ele mente-Methode oder Finite-Differenzen-Methode. Falls davon ausgegangen werden muß, daß die Metallisierungen nicht auf der Oberfläche des Substrates haften bleiben, wie dies bei Bond-Draht (Bonding-Wires) der Fall wäre, kann eine Wärmetransfer-Differentialgleichung für jeden einzelnen Draht mit einer zweidimensionalen analytischen Lösung in Form einer Greene-Funktion ge koppelt werden.

In einem FET als Transistor 31 ist die interne Temperaturverteilung nicht uni form. Diese Tatsache kann durch theoretische Untersuchungen belegt werden, die auf der Lösung eines Gleichungssystems beruhen, bestehend aus der nichtlinearen partiellen Differentialgleichung für Wärme-Transfer, die mit Glei chungen des elektrischen Modells solcher Bauelemente gekoppelt ist. Obwohl der größte Anteil der in einem FET in Wärme umgewandelten Leistung unmit telbar unter der Gate-Anschluß-Elektrode liegt, kann eine genaue Temperatur verteilung nur durch numerische Rechenverfahren (z. B. durch Finite Elemente Simulationsverfahren) berechnet werden und hängt von dem gewählten Ar beitspunkt des FETs ab. Die elektrischen Parameter der FETs hängen sehr stark von der Kanaltemperatur ab. Einige Halbleiter wie Gallium-Arsenid und Silizium weisen noch eine sehr starke Änderung der Wärmeleitfähigkeit ihrer Gitterstruktur und thermische Anisotropie auf. Im allgemeinen sinkt bei Halblei tern die Wärmeleitfähigkeit mit wachsender Temperatur ab. In praktischen An wendungen werden Transistoren auf einem gut thermisch leitenden Substrat (Metalloberfläche) angebracht. In Anwendungen, bei denen FETs oder bipolare Transistoren als Heizer in einem thermisch von der Umgebung isolierten Substrat implantiert sind, werden deren elektrischen Eigenschaften stärker von den Wärmetransfer-Prozessen beeinflußt und umgekehrt. Thermoelektrische Modellierungen, die auch die obengenannten räumlichen Effekte mit berück sichtigen, erfordern einen beträchtlichen mathematischen Aufwand.

Stromquellen mit Transistoren erlauben das Anlegen einer separaten Wech selspannung zwischen ihren Anschlußpunkten. Der Strom kann ebenfalls von einem anderen externen elektrischen Signal (meistens durch eine elektrische Spannung) kontrolliert werden. Die Phase zwischen der darauf applizierten Wechselspannung und dem von außen eingeprägten Wechselstrom kann entweder eine zusätzliche Erwärmung oder eine Abkühlung hervorrufen und kann zur Temperaturstabilisierung von isolierten Halbleiter-Substraten verwendet werden, ohne den Arbeitspunkt (bias point) der Transistoren als Heizelemente zu ändern. Bei deren Regelung mit Gleichgrößen jedoch ändert sich der Arbeitspunkt des aktiven Bauteils (Transistoren) und somit die interne Wärmeverteilung im Transistor. Bei Wechselstrombetrieb machen sich die thermischen Effekte der Sättigungsbereichsausweitung weniger stark bemerkbar, da die Masse des Transistors einen integrierenden Effekt hat. Aufgrund der erwähnten physikalischen Phänomene wird das Heizelement in Form des Feldeffekt-Transistors mit einer speziellen Geometrie versehen. Damit wird die Temperaturstabilität zumindest in einem bestimmten Bereich des Substrates gewährleistet, unabhängig davon, ob das Heizelement mit Wechsel- oder Gleichgrößen erhitzt wird. Die Temperatur soll dabei zwar geregelt, nicht jedoch durch den Steuerungsmodus des Heizelementes (Feldeffekt-Transistors) gestört werden. Dies erweist sich als besonders wichtig dann, wenn der FET als Thermokonverter, also als AC-DC-Konverter eingesetzt wird.

Feldeffekt-Transistoren können heutzutage bis in Submicron-Abmessungen hergestellt werden, und bei der Verwendung als Heizquellen kann die örtliche Ausweitung der im Kanal in Wärme umgewandelten Leistung wegen ihrer klei nen Abmessungen minimal sein. Bei Verwendung von FETs als Leistungsmeß konverter ist jedoch wünschenswert, die Abmessungen solcher Elemente mög lichst klein zu halten, um eine schnelle thermische Antwort des Temperatursen sors zu erhalten. Infolgedessen beseitigt die Erfindung bei Miniaturisierung eines FETs gerade bei dieser Anwendung das Problem der Sättigungsbereichs ausweitung innerhalb des FET-Kanals im wesentlichen nicht, weil der FET auch bei Miniaturisierung nicht als eine auf einem Punkt konzentrierte Wärmequelle betrachtet werden darf.

In FETs wird der Strom im Kanal durch eine am Gate-Anschluß angelegte Spannung geregelt. Wenn FETs verwendet werden, tritt im Kanal bei normalem Betrieb eine Verarmungszone unter dem Gate-Anschluß auf, die den Strom im Kanal steuert und die Wärmeverteilung bzw. Temperaturverteilung des FET- Kanals beeinflußt. Bei Gleichstrombetrieb heißt das, daß der größte Anteil der in Wärme umgewandelten Leistung nicht unbedingt in einem exakt definierten Punkt bleibt. Das heißt, die Leistung wandert oder verschiebt sich bei Gleich strombetrieb (hier bezeichnet als "Leistungswanderung" bzw. "Sättigungsbe reichsausweitung"). Dies geschieht auch bei Niederfrequenz-Wechselsteue rungsgrößen.

Fig. 6 zeigt eine Geometrie des Transistors 31, die den Effekt der Ausweitung des Sättigungsbereichs und die damit verbundene Ausdehnung der wärmeer zeugenden Region im FET kompensiert, wie es zu Fig. 5 anhand von zwei sich entgegengesetzt ausdehnenden, verteilten Wärmestreifen erläutert wurde. Op timiertes Layout hängt von den zu stabilisierenden Substratabmessungen ab, so daß detaillierte Angaben über diese Geometrie von Fall zu Fall berechnet wer den. Aus der Fig. 6 ist zu ersehen, daß sich zwei FETs 31a, 31b den gleichen Drain-Anschluß 32 teilen. Da der größte Anteil der im Kanal in Wärme umge wandelten Leistung beim Gleichstrombetrieb zwischen Drain- und Gate-An schluß aufgebracht wird, tritt die Ausdehnung der wärmeerzeugenden Region in den Kanälen zwischen Gate- und Drain-Anschluß beider FETs in entgegenge setzter Richtung auf. Die besondere Geometrie bewirkt eine Verminderung der thermischen Effekte durch die Sättigungsbereichsausweitung der Temperatur verteilung des Substrates in Bezug auf denselben Effekt beim Ein-Kanal-FET- Heizelement um einige Zehnerpotenzen. In spezifischen Anwendungen können mit Hilfe numerischer Rechenverfahren die Nichtlinearität der Wärmeleitfähigkeit des Substrates, seine thermische Anisotropie, Wärmeabfuhr durch Metal lisierungen der einzelnen Elektroden des Transistors 31 (FETs), Konvektions- und Strahlungs-Wärmeverluste in einer nichtlinearen Lösung des Problems mitberücksichtigt werden. Die genaue Abmessung und Positionierung des Heizelementes auf der Struktur von Fig. 6 kann somit optimiert werden. In Fig. 6 ist die FET-Geometrie (Topologie) gezeigt, die als eine einzelne Zelle betrachtet werden soll, und nur als Beispiel dient. Variationen dieses Vorschlages sind immer möglich. Mehrere solcher Strukturen können noch nebeneinander oder ineinander verschachtelt werden, um eine homogenere Leistungsverteilung auf dem zu stabilisierenden Substrat zu gewährleisten.

Ein Thermokonverter mit MESFETs ist in dem Beispiel von Fig. 7 gezeigt. Eine derartige Struktur in Balken-Form (cantilever beam) wurde thermisch so optimiert, daß von thermischen Gesichtspunkten aus gesehen, die Steuerung der MESFETs mit Gleichgrößen sehr kleine Nichtlinearitäten durch Sättigungsbereichsausweitung (in Bereich von einigen 1 · 10^-06) aufweist. Dabei sind die Kanten 38 und 39 des Substrates als adiabatisch (isoliert) anzusehen und eine tragende Kante 40 als isotherm und auf Umgebungstemperatur liegend. An diesen adiabatischen Kanten wird daher der Wärmeaustausch zwischen Substrat und Umgebung unterbunden. Anschlüsse 37a, 37b sind metallisiert, das Gate 35a, 35b sind dünne Metallisierungen. Der Temperaturfühler 4 enthält eine Diode und ist nahe bei den Transistoren 31a, 31b angeordnet.

Die Berechnung der Wärmeverteilung auf einer derartigen Struktur kann durch die Summe von zwei Termen für jedes Heizelement ausgedrückt werden. Zur Verdeutlichung sind die einzelnen Terme und die Summe dieser beiden einzelnen Terme in den Fig. 8 bis 10 dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 8 ein dreidimensionales Diagramm der Temperaturverteilung, wobei diese lediglich von der x-Koordinate abhängig ist. Die Temperaturverteilung ist in Fig. 8 beispielhaft für ein Gallium-Arsenid-Substrat mit einem MESFET an seinem einen Ende gezeigt. Das linke Ende ist dabei auf einer konstanten Temperatur gehalten (siehe auch Fig. 7, isotherme Kante 40). Beispielsweise beträgt die Dicke des Substrates 9 µm, die Länge in x-Richtung L₁ = 340 µm und die Länge in y-Richtung L₂ = 140 µm. Das Heizelement weist dabei vorzugsweise Abmessungen von 90 µm × 30 µm auf, wobei eine konstante Leistung von 2 mW in einem einzigen Heizelement gespeist bzw. erzeugt wird.

Der zweite Term ist von der x-Koordinate und von der y-Koordinate der Struktur abhängig, wie dies aus Fig. 9 hervorgeht. Bei diesem Diagramm ist deutlich zu erkennen, wo der MESFET angeordnet ist, da dort der Temperaturbeitrag größer ist als an den übrigen Stellen. Die Grundbedingungen sind für diesen zweiten Term ebenso gewählt wie für den ersten gemäß Fig. 8.

Die gesamte Temperaturverteilung des Gallium-Arsenid-Substrates mit dem MESFET ergibt sich aus der Summe der einzelnen Terme gemäß Fig. 8 und 9 und geht aus Fig. 10 hervor. Die Überhöhung in dem Diagramm gemäß Fig. 9 durch den MESFET und dessen Temperaturbeitrag bleibt auch bei der Summe gemäß Fig. 10 erhalten. In der Summe jedoch verbleibt lediglich eine kleine, kaum auf den ersten Blick wahrnehmbare Überhöhung im Temperatur profil.

Das Temperaturprofil kann auch in Form einer Gleichung dargestellt werden. Diese lautet dann wie folgt:

wobei:

wobei darin die Bezeichnungen folgende Bedeutungen haben:
δ(m) = 1 für m = 0 und δ(m) für m ≠ 0
a - Dicke des Substrates
ρ_s - Dichte des Substrates in kg/m³
k_s - thermische Leitfähigkeit des Substrates in W/(m.K)
c_s - Wärmekapazität des Materials in J/(kg.K)
p(s) - Laplace-Transformierte der Leistungsdichte in W/m²
L₁ - Länge der Struktur in x-Richtung
L₂ - Länge der Struktur in y-Richtung
s = j ω; ω ist die Kreisfrequenz 2 π f in rad/s und f ist die Frequenz
T (x,y,z) ist die Temperaturverteilung in Abhängigkeit von einer Wechselleistungsdichte im Frequenzbereich mit der Laplace-Transformierten p(s) für einen Balken, mit der Kante durch die Punkte (0,0) und (0,L₂) als Isotherme und die anderen Kanten als Adiabate (dT(x,y)/dy = 0) bzw. (dT(x,y)/dx = 0).

Die Heizelemente werden zunächst mit einer Gleichspannung am Drain-An schluß und mit einem Gleichstrom am Kanal beaufschlagt, damit sie funktions fähig werden. Bei den meisten Anwendungen arbeiten die FETs im Sättigungs bereich, wodurch auch bei Erhöhung der Drain-Spannung sich der im Kanal fließende Strom nur sehr wenig ändert. Sowohl Drain-Spannung als auch Strom im Kanal haben Wechselanteile, wodurch sich die Wärme im Kanal mit den Wechselgrößen, welche den Gleichgrößen überlagert sind, verschiebt. Es kann ein sog. Referenzpunkt oder "Bias-Point" oder "Polarisierungspunkt" angenom men werden. In Bezug zu diesem einzelnen Punkt könnte man eine Verschie bung der Temperatur in positiver und negativer Richtung bezeichnen.

Ein Mindestabstand zwischen dem Bereich mit der zu stabilisierenden elektroni schen Schaltung und dem Bereich mit dem Heizelement wird begrenzt durch die technologischen Prozesse, wobei beispielsweise für ein Gallium-Arsenid- Substrat die Abstände beispielsweise bei 8 bis 10 µm liegen, um keine elektrischen oder galvanischen Kopplungen zwischen Heizelement und Temperaturfühler zu erzeugen.

Es sollte jedoch die zu stabilisierende elektronische Schaltung so nahe wie möglich bei dem Temperaturfühler angeordnet werden, um eine ausreichende örtliche Temperaturstabilisierung und falls erwünscht, ein besseres Regelverhal ten zu erzielen.

Sofern das Heizelement mit Wechselgrößen arbeitet, tritt eine Temperaturschwankung entlang der Struktur auf, deren Frequenz doppelt zu groß ist wie die der Wechselgröße, die durch die thermische Multiplikation der Eingangssignale im FET hervorgerufen wird. Für die Anwendung als Thermokonverter oder Leistungsmeßkonverter ist es wünschenswert, daß der Temperatursensor so schnell wie möglich auf die Erwärmung des Heizelementes reagiert.

Zusätzlich zu der räumlichen Trennung von Heizelement und Temperaturfühler wird bevorzugt eine symmetrische Gestaltung der Struktur vorgesehen, um eventuelle Fehler bei den Thermokonvertern zu vermeiden. Soll eine empfindli che und thermisch zu stabilisierende elektronische Schaltung verwendet wer den, wird bevorzugt der Temperaturfühler mit einem großen Abstand zu der Schaltung auf dem Substrat angeordnet. Im allgemeinen jedoch sind die am Temperaturfühler ankommenden Signale so klein und unbedeutend, daß aus praktischen Erwägungen heraus der Temperaturfühler möglichst nahe bei der zu stabilisierenden Schaltung angeordnet wird. Es hat sich hierbei sogar als vorteilhaft erwiesen, mehrere Temperaturfühler auf dem Substrat anzuordnen, da dann das Regelverhalten der gesamten Struktur besser kontrolliert werden kann. In der bereits beschriebenen Fig. 1 ist ein solch allgemeiner Fall darge stellt. Dabei kann das Substrat einerseits sich selbst tragen oder aber auf einem gut thermisch isolierenden Material bzw. einer gut thermisch isolierenden Unter lage gestützt werden.

Selbstverständlich können alle denkbaren Kombinationen fallabhängig und an wendungsabhängig gebildet werden. Dabei kann auch Ziel sein, die Anordnung möglichst zu vereinfachen, um deren Analyse zu erleichtern.

Das Substrat selbst kann die Form eines Balkens aufweisen, welcher an seinem einen Ende fixiert ist oder aber eben auf einer Unterlagen aus Isoliermaterial gestützt wird. Dieses Isoliermaterial hat Einfluß auf die Wärmeverteilung auf dem Substrat und wird daher ebenso thermisch analysiert, beispielsweise durch ein Wellenleitungsmodell.

Das Substrat kann aber auch eine Membran sein, auf die das Heizelement auf klebt oder in diese implantiert ist. Eine Berechnung erfolgt hier in Form von Bes sel-Funktionen.

Fig. 11 zeigt das Beispiel einer Topologie von einem thermisch optimierten runden FET-Heizelement.

Ein solcher runder Feldeffekt-Transistor funktioniert genau nach dem beschrie benen Prinzip. Der Transistor ist hier in Form von zwei konzentrischen Lei stungsstreifen gebildet. Ein derartiger runder Streifen alleine erzeugt dabei kleinere Unsymmetrien durch eine Sättigungsbereichsausweitung. Eine Berech nung eines solches runden FETs als Heizelement auf einer rechteckigen Unter lage kann mit numerischen Methoden unter Zuhilfenahme eines Rechners erfolgen.

Die Elektroden des Heizelements 3 sind in Fig. 1 und 7 länglich ausgebildet und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet.

Die Elektroden des Heizelements in Fig. 11 sind im wesentlichen kreisförmig ausgebildet, derart, daß eine Source-Elektrode 33 einen Innenkreis bildet, der von der Drain-Elektrode 32 umgeben ist, die wiederum von einer weiteren Source-Elektrode 34 umschlossen ist. Zwischen Source- und Drain-Elektroden sind ein oder mehrere Gate-Elektroden 35 angeordnet. Diese Anordnung kann aus einer dünnen Metallisierung bestehen.

Die Bereiche der Temperatur zu stabilisierenden elektronischen Schaltung 2 in Fig. 1 und des Heizelements 3 sind durch Bereiche des Substrats 1 voneinan der getrennt angeordnet. Die Elektroden des Heizelements 3 können mit zusätzlichen Metallisierungen 36 auf dem Substrat 1 versehen werden (siehe Fig. 6). Diese sollen einem thermischen Ausgleich des Temperaturgradienten entlang dem Heizelement dienen.

Die Phase zwischen einem durch den Transistor 31 fließenden Wechselstrom und der darauf applizierten Wechselspannung ist vorzugsweise steuerbar.

Die Elektroden 32 bis 35 des Transistors 31 sind so verteilt angeordnet, daß sich jeweils zwei FETs denselben Drain-Anschluß 32 teilen, d. h. die FETs sind elektrisch parallel angeschlossen. Auf diese Weise werden temperaturerhö hende Effekte auf dem Substrat aufgrund der Sättigungsbereichsausweitung eines FETs durch dieselben Effekte in dem anderen spiegelbildlich angeordne ten FET kompensiert, da sich der Sättigungsbereich in entgegengesetzter Richtung ausweitet.

Der hier nicht dargestellte Temperaturfühler ist in einem Bereich angeordnet, der für die jeweilige Anordnung eine optimale Regelung ermöglicht. Er kann dicht neben dem Heizelement 3 oder mit diesem kombiniert angeordnet sein, wenn dieses Heizelement überwiegend für die Temperatur des Substrats 1 maßgeblich ist. Er kann aber auch zwischen den Bereichen angeordnet sein, wenn auch die elektronische Schaltung zur Heizung beiträgt. Wesentlich ist, daß die Temperatur im Bereich der elektronischen Schaltung stabilisiert werden soll und daher der Temperaturfühler auch den von dieser Schaltung ausgehenden Temperaturverlauf berücksichtigen muß.

Das Heizelement und/oder der Temperaturfühler und/oder die elektronische Schaltung sind vorzugsweise in das Substrat implantiert, das beispielsweise eine aufgespannte Membran, eine Balken-Struktur oder ein von allen Seiten und durch ein hochthermisch isolierendes Material aufgestützter Substrat-Block sein kann.

In Fig. 12 ist eine Prinzipskizze der Beschaltung von einem Heizelement in Form des Feldeffekt-Transistors und einem Temperatursensor dargestellt. Zwi schen Source und Gate des Feldeffekt-Transistors ist dabei der Verstärker V₁ vorgesehen. Parallel zum Verstärker ist dabei eine Konstantstromquelle für das Gleichstrom-Vorspannen (biasing) des Heizelementes vorgesehen. Der Verstärker V₁ regelt die Gate-Spannung des Feldeffekt-Transistors, um einen steten Stromfluß Idc durch den Transistor zu gewährleisten.

Der Temperaturfühler erzeugt stets eine zur Temperatur des Substrates propor tionale elektrische Spannung. Diese wird mit einer von außen zugeführten oder einstellbaren Soll-Spannung Vref verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleiches ist die Spannung Vth. Ist die Spannung des Temperaturfühlers kleiner als die Referenzspannung Vref, ist auch die Temperatur des Substrates niedriger als die Sollwert-Temperatur, welche durch die Referenzspannung definiert wird.

Die Differenzspannung, nämlich die Summe aus der Referenzspannung Vref und der Spannung am Temperatursensor Vth, wird durch einen zweiten Ver stärker V₂ verstärkt. Dies verstärkte Differenzspannungssignal wird summiert mit einer weiteren Spannung Vbias, welche zur Polarisierung (Vorspannen) des Feldeffekt-Transistors dient.

Die bei dieser Summation entstehende Spannung Vd wird auf den Drain- Anschluß des Feldeffekt-Transistors gelegt. Aufgrund Summation wird diese resultierende Spannung Vd am Drain-Anschluß größer und dadurch ebenfalls die im Transistor in Wärme umgewandelte Leistung. Dadurch wiederum steigt die Substrattemperatur und ebenfalls die durch den Temperatursensor gemessene Spannung Vth. Durch Rückkopplung wird die Temperatur im Temperaturfühler stabil gehalten. Die zuvor erwähnten Effekte durch Sättigungsbereiche werden aufgrund der besonderen Gestaltung des Layouts des Heizelementes minimiert.

Auf diese Weise wird die Temperatur im Temperaturfühler geregelt. Wandeln andere implantierte Bauelemente auf dem Substrat eine konstante oder geringe Leistung in Wärme um, wird dort die Temperatur im wesentlichen konstant ge halten. Die Wärmeverschiebungen oder Leistungswanderungen im Feldeffekt- Transistor können dadurch aufgrund der besonderen Gestaltung des Layouts des Heizelementes ausgeschlossen werden. Um die mittlere Temperatur des Substrates besser regeln zu können, werden besonders bevorzugt mehrere Temperatursensoren oder Temperaturfühler entlang der Struktur in Reihe ge schaltet.

Für die praktische Anwendung des in dem DE 41 17 133 C1 beschriebenen Standes der Technik wird insbesondere für die Messung von Wechselleistung auf (L. Grno, "Thermal Wattmeter with Direct Power Conversion", IEEE Transactions on Instrumentation and Mensurement, Vol. 44, No. 2, April 1995) verwiesen. Thermische Nichtlinearitäten von Thermokonvertern durch Sättigungsbereiche, insbesondere beim Gleichstrombetrieb, und die damit hervorgerufenen thermischen Nichtlinearitäten solcher Thermokonverter sind jedoch dort nicht beschrieben, ebensowenig der Umgang mit diesen.

Erfindungsgemäß sind jedoch auch für Thermokonverter bei optimal ausgelegtem Feldeffekt-Transistor-Layout Leistungsmessungen bis in höhere Frequenzen, insbesondere bis in den Audio-Bereich, mit sehr geringen Meßunsicherheiten von einigen 1 · 10⁻⁶ möglich.

Fig. 13 zeigt eine bemaßte Darstellung des Substrates in Balken-Struktur als sog. Cantilever Beam-Struktur für einen Thermokonverter zur Leistungsmes sung, mit Heizelementen 3 und 5 sowie Temperaturfühler 4 in der Ausführungs form gemäß Fig. 6. Die Optimierung des geometrischen Aufbaus der Leiter bahnen ist für die Struktur eines Thermokonverters für Leistungsmessung für eine Substratdicke von 2 µm eines Substrates aus Gallium-Arsenid vorgenom men worden. Die Abmessungen betragen Werte in Mikrometern. Mit den dar gestellten Heizelementen, welche MESFETs sind, werden typische Leistungen im Milliwatt-Bereich erreicht.

Ihre äußeren Source-Elektroden werden von der Gate-Elektrode 35 umgeben. Sie fungieren als Guard-Elektrode, wodurch Leckströme von Gate- oder Drain- Elektrode 32 den Temperaturfühler nicht erreichen können. Der Strom liegt dabei im Bereich von Mikro- bis Milliampere. Als Temperaturfühler 4 ist eine Schottky-Diode vorgesehen.

Die dünnen Metallisierungen 35a, 35b weisen beispielsweise eine Dicke von 0,35 µm auf. Die übrigen Metallisierungen bestehen vorzugsweise aus Gold mit einer Dicke von beispielsweise 0,7 µm. Die Metallisierung 36a im Bereich der Schottky-Diode und zwischen den Heizelementen kann optional vorgesehen werden.

Die soweit beschriebene Erfindung zur Kompensation von thermischen Nichtli nearitäten, hervorgerufen von Sättigungsbereichsausweitungen des in einem FET wärmeerzeugenden Bereichs, hat ein sehr breites Anwendungsspektrum in thermoelektrischen elektronischen Schaltungen. Damit können Verstärker, Re ferenzquellen, Oszillatoren besser temperaturstabilisiert werden. Insbesondere in der Meßtechnik, dann, wenn FETs als Thermokonverter oder Leistungsmeß konverter eingesetzt werden, können sie noch präziser und genauer ausgelegt werden.

Bezugszeichenliste

1 Substrat
1a Substrat
1b Substrat
2 elektronische Schaltung
3 Heizelement, erstes
4 Temperaturfühler
5 Heizelement, zweites
31 Transistor
31a Transistor
31b Transistor
32 Anschluß/Elektrode (Drain)
33 Source-Elektrode
34 Source-Elektrode
35 Gate-Anschluß/-Elektrode
35a Metallisierungen
35b Metallisierungen
36 Metallisierung
37a Anschluß
37b Anschluß
38 Kante/adiabatische Kante
39 Kante/adiabatische Kante
40 Kante/isotherme Kante
50 ungesättigte Kanalregion
51 gesättigte Kanalregion
52 Verarmungszone
53 Oxid-Schicht
S Substrat
S₁ Substrat
S₂ Substrat
Sp p-Substrat
L Länge der gesättigten Kanalregion
B Bulk (p-Substrat)

Claims

1. Halbleitersubstrat mit temperaturstabilisierbarer elektronischer Schaltung, bei dem die elektronische Schaltung (2), ein einen Transistor (31) enthaltendes Heizelement (3) und ein Temperaturfühler (4) auf dem Substrat (1) angeord net sind und dem Transistor (31) Steuergrößen von der elektronischen Schaltung (2) und vom Temperaturfühler (4) zur Stabilisierung der Tempera tur des Substrats (1) wenigstens im Bereich der elektronischen Schaltung (2) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (31) so ausgebildet und bemessen ist, daß unerwünschte Temperaturänderungen des Substrates aufgrund einer steuerungsbedingten örtlichen Ausweitung des die Temperatur im Transistor (31) beeinflussenden Sättigungsbereichs verringert werden.

2. Halbleitersubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden (32-35) des Transistors (31) so verteilt angeordnet sind, daß im Transistor (31) temperaturerhöhende Sättigungsbereichsausweitungen in einem Weg durch temperaturverringernde Sättigungsbereichsausweitungen in einem anderen Weg kompensiert werden.

3. Halbleitersubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (3) mehrere Transistoren (31) aufweist.

4. Halbleitersubstrat nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Transistoren (31) Feldeffekt-Transistoren sind.

5. Halbleitersubstrat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Feldeffekt-Transistoren (31) eine gemeinsame Drain- Elektrode (32) enthalten und daß die Source-Elektroden (33, 34) auf örtlich gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind.

6. Halbleitersubstrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (3) zwei Paare von Feldeffekt-Transistoren (31) mit je einer zwischen Source-Elektroden (33, 34) angeordneten Drain-Elektrode (32) aufweist, und daß der Temperaturfühler (4) dicht neben beiden Paaren angeordnet ist.

7. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (3) und/oder der Temperaturfühler (4) und/oder die elektronische Schaltung (2) in das Substrat (1) implantiert sind.

8. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (32-35) des Heizelements (3) länglich ausgebildet und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

9. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gegenzeichnet, daß die Elektroden (32-35) des Heizelements (3) im wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind, derart, daß eine Source-Elektrode (33) einen Innenkreis bil det, der von der Drain-Elektrode (32) umgeben ist, die wiederum von einer weiteren Source-Elektrode (34) umschlossen ist.

10. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Source-Elektroden (33, 34) und der Drain-Elektrode (32) des Heizelements (3) eine oder mehrere Gate-Elektroden (35) angeordnet ist oder sind.

11. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der elektronischen Schaltung (2) und des Heizelements (3) durch Bereiche des Substrats (1) voneinander getrennt angeordnet sind.

12. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden des Heizelements (3) mit zusätzlichen Metallisierungen (36) auf dem Substrat (1) verbunden sind, die einem thermischen Ausgleich von Wärmeverlusten durch Zuleitungen der Elektroden dienen.

13. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase zwischen einem durch den Transistor (31) fließenden Wech selstrom und der darauf applizierten Wechselspannung veränderbar ist.

14. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (3) ein oder mehrere Feldeffekt-Transistoren (31) mit Multi-Anschlüssen enthält.

15. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung (38, 39, 40) des Heizelementes (3) als isotherme und/oder adiabatische Kante ausgebildet ist.

16. Schaltung mit einem Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (3) mit Gleichgrößen und/oder Wechselgrößen gesteu ert wird, wobei die Steuergrößen von einem Temperaturfühler (4) und von ei ner separaten, insbesondere externen Regelschaltung aufgenommen und/oder zugeführt sind.

17. Verwendungen eines Halbleitersubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 16 für einen Leistungsmeßkonverter oder Thermokonverter.

18. Verfahren zur Bemessung der Geometrie eines Transistors (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein numerisches Rechenverfahren für nichtlineare partielle Differentialgleichungen mit der Nichtlinearität der Wärmeleitfähigkeit des Substrates (1), seiner thermischen Anisotropie, der Wärmeabfuhr durch Metallisierungen der einzelnen Elektroden des Transistors (31) und Kon vektions- und Strahlungs-Wärmeverlusten als Parameter angewendet wird, wobei die Differentialgleichungen miteinander gekoppelt und die Parameter von der Temperatur abhängig sind.