DE2100789A1 - Thermistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Thermistor und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
21QP789
Anmelder: PHiLiPS PAιEuheuWALTUNG GMBH
Airtei fHD- 1391
Philips Patentverwaltung GmbH., Hamburg 1, Steindamm 94
"Thermistor und Verfahren zu seiner Herstellung"
Die Erfindung betrifft einen Thermistor aus einkristallinem Halbleitermaterial mit mindestens zwei auf eine Hauptfläche
des Halbleiterkörpers aufgebrachten Elektroden sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Es sind seit längerem Thermistören bekannt, die aus polykristallinen
Sinterkcrpern verschiedener Metalloxide bestehen. Diese halbleitenden Thermistoren dienen als temperaturabhängige
Widerstände zur elektrischen Messung der Temperatur. Sie zeichnen sich gegenüber den metallischen Widerstandsthermometern durch eine grössere Empfindlichkeit (ca. k%
pro C gegenüber Q.kfo pro °C), durch Kleinheit, höheren
Widerstand und niedrige Herstellungskosten aus. Hinsichtlich
der Herstellungstoleranzen (Widerstand, Empfindlichkeit) und Langzeitkonstanz genügen diese polykristallinen, mit eingesinterten
Elektroden versehenen Thermistoren nur geringen Ansprüchen.
Es ist weiter bekannt (US-PS 5 270 309), als Material für
Thermistoren eigenleitendes, einkristallines Oereaniun zu
verwenden. Bei solchen Thermistoren sind Absolutwert und
PHD-I391
5/Thi/
5/Thi/
2QÖ830/031Q
Temperaturgang der Leitfähigkeit dann durch physikalische Gesetze genau·vorgegeben.
Es war jedoch bisher nicht möglich, sehr eng tolerierte und über lange Zeit stabile Thermistoren aus Germanium herzustellen,
da bei der Herstellung die Streuung der den Widerstand bestimmenden Abmessungen des Halbleiterkörpers und
der Elektroden zu groß ist. Diese Schwierigkeit ist auch bei einem weiteren bekannten Thermistor (DT-OS 1 804 012)
nicht überwunden, bei dem auf eine Hauptfläche eines einkristallinen
Halbleiterkörpers die Elektroden aufgebracht sind, da die Elektroden an den Rändern des Halbleiterkörpers
liegen und damit Schwankungen der während der Herstellung durch Ritzen und Brechen nur grob bestimmten äusseren Abmessungen
des Halbleiterkörpers in die die genannten elektrischen Werte bestimmende Elektrodengeometrie eingehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nacjiteile der
bekannten Thermistoren zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Form, die Größe und
der gegenseitige Abstand der Elektroden so gewählt ist, daß die Stromdichte im Halbleiterkörper am Rande der Hauptfläche
und auf allen anderen Flächen im Vergleich zur Stromdichte im Zentrum der Hauptfläche sehr gering ist.
Um die Stromdichte im Halbleiterkörper am Rande der Hauptfläche und auf allen anderen Flächen sehr gering zu halten,
können gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung zwischen den beiden gespeisten Elektroden auf der Hauptfläche weiter«
ungespeiste, den Stromdichteverlauf beeinflussende Feldleitelektroden
angeordnet sein. Die Hauptfläche des Halbleiterkörpers kann weiter mit einer leitenden Randbegrenzung versehen
sein. Der Halbleiterkörper besteht vorzugsweise aus eigenleitendem Germanium.
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Besonders zweckmäßige Verfahren zur Herstellung solcher Thermistoren sind dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden
auf die Hauptfläche des Halbleiterkörpers entweder mit photolithographischen Techniken oder mit Hilfe der Siebdrucktechnik aufgebracht werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß der zwischen den beiden Elektroden gemessene elektrische Widerstand praktisch ausschließlich durch die
Geometrie der Elektroden (d.h. ihre Abmessungen und ihr gegenseitiger Abstand) bestimmt ist, während der Einfluß der
Außenabmessungen des Halbleiterkörpers auf den genannten Widerstand vernachlässigt werden kann. Weiter ist durch die
Feldkonzentration im Bereich der Elektroden die Empfindlichkeit der übrigen Flächen des Halbleiterkörpers gegenüber
Verunreinigungen stark herabgesetzt. Die planare Anordnung der Elektroden gestattet es, zu ihrer Herstellung entweder
die hoch-präzisen photolithographischen Techniken oder gegebenenfalls auch die Siebdrucktechnik anzuwenden, so daß
die den elektrischen Widerstand des Thermistors bestimmenden geometrischen Größen (Abmessungen und Abstand der Elektroden)
sehr genau eingehalten werden können. Diese Techniken haben sich zudem in der Serienfertigung sehr bewährt.
Die weitere Voraussetzung für eine genaue Einhaltung des elektrischen Widerstandes des Thermistors, nämlich genau definierte
Materialeigenschaften des Halbleitermaterials, 1st bei eigenleitenden Halbleitereinkristallen gegeben. Für den
Tee peratürbereich von -40 bis +3000C eignet sich Qernanltm,
während für tiefere Temperaturen InSb und für Temperaturen oberhalb von 1000C Silizium vorzuziehen ist.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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- v-
Pig. 1 ein erstes AusfUhrungsbeispiel eines Thermistors nach
der Erfindung in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kalbleiterkörper eines zweiten
Ausführungsbeispieles eines Thermistors nach der Erfindung mit zwei zwischen den Hauptelektroden
angeordneten Feldleitelektroden,
Fig. 2a einen Schnitt durch den in Fig. 2 dargestellten Halbleiterkörper
und
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Halbleiterkörper eines dritten
Ausführungsbeispieles eines Thermistors nach der Erfindung mit einer weitgehend dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 entsprechenden Elektrodenanordnung und einer leitenden Randbegrenzung auf der die Elektroden
tragenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Thermistors nach der Erfindung, der aus einem quaderförmigen Körper 1
aus eigenleitendem, einkristallinem Germanium besteht. Auf
der Hauptfläche des Halbleiterkörpers sind zwei kreisförmige Metallelektroden 2 aus einer Gold/Antimon-Legierung einlegiert,
An diesen Elektroden sind zwei Anschlußdrähte j5 aus Gold durch
Preßschweißen befestigt. Die die Elektroden 2 tragende Hauptfläche
des Halbleiterkörpers ist durch eine Isolierschicht 4 geschützt. Die Unterseite des Halbleiterkörpers, über die dem
Thermistor die zu messende Wärme zugeführt wird, ist mit einer weiteren dünnen Isolierschicht 5 abgedeckt.
Bei einem so aufgebauten Thermistor hat die Stromdichte auf der direkten Verbindungslinie zwisohen den beiden kreisförmigen
Elektroden 2 ihr Maximum und fällt zum Rand der Hauptfläche hin sehr schnell auf vernachlässigbar kleine Werte ab.
Der zwischen den beiden Elektroden 2 gemessene Widerstand ist damit gegenüber Schwankungen in den äusseren Abmessungen
des Halbleiterkörpers (a, b, c) außerordentlich unempfindlich.
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Bei einem praktischen Ausfiihrungsbeispiel eines so aufgebauten Thermistors mit den Abmessungen
a = b = 1 mm
c = 0,17 mm
d = 0,1 mm
r = 0,2 mm
c = 0,17 mm
d = 0,1 mm
r = 0,2 mm
ergeben sich folgende Werte:
Aa/a = 10 % : AR20O0ZR20O0 « 1 %
= ίο # : AR20O0Zr20O0 ~ ι %
Da die Dicke c des Halbleiterkörpers wegen der bei seiner Herstellung
angewendeten Läpp- und Ätztechnik noch relativ genau eingehalten werden kann, konnte mit einem AcZc von 3 % gerechnet
werden, während bei den Kantenlängen a und b wegen der bei der Herstellung der Plättchen angewendeten Ritz-·
und Brechtechnik mit Abweichungen von 10 % gerechnet werden muß.
Mit den genannten Abmessungen des Halbleiterkörpers ergibt Λ
sich ein elektrischer Widerstand des Kiermistors bei 20°C
von 1,6 kfl+l#. Der Meßbereich liegt zwischen -40 und +3000C.
Bei 0,8 mW Belastung tritt eine Eigenerwärmung von 1°C auf.
Bei kreisförmigen Elektroden tritt an ihnen eine starke Feldkonzentration
auf, die die elektrische Belastbarkeit des •Hiermistors nach oben begrenzt. Eine Vergrösserung des Elektrodendurchmessers
führt jedoch zu einer unerwünschten Widerstandserniedrigung sowie, wegen des tieferen Eindringens des
elektrischen Strömungsfeldes, zu einem verstärkten Einfluß etwaiger Schwankungen in der Dicke des Halbleiterkörpers.
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Für höhere elektrische Belastungen eignet sich daher ein gemäß Fig. 2 ausgebildeter Thermistor besser, bei dem zwar ein
grösserer Teil des Volumens des Halbleiterkörpers elektrisch belastet wird, dennoch aber der Einfluß der Abmessungen
dieses Körpers auf den elektrischen Widerstand gegenüber dem AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 1 nicht vergrößert ist.
Der in Fig. 2 dargestellte Thermistor besteht ebenfalls aus einem Körper aus eigenleitendem, einkristallinem Halbleitermaterial,
auf dessen Hauptfläche zwei über Anschlußdrfihte j5
kontaktierte baUcenförmige Metallelektroden 2 angeordnet sind.
Zwischen diesen gespeisten Elektroden 2 liegen zwei ebenfalls balkenförmige Feldleitelektroden 6, die die Stromdichte im
oberflächennahen Bereich des Halbleiterkörpers vergrössern und damit den Einfluß der Dicke des Halbleiterkörpers trotz
des großen Abstandes der gespeisten Elektroden 2 gering halten.
In der einen Schnitt durch den Halbleiterkörper zeigenden Fig. 2a sind die Stromfäden i und Potentiallinien φ eingezeichnet
und lassen den genannten Effekt erkennen. Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Feldverteilung ist der Abstand
der beiden Feldleitelektroden 6 gegeneinander gegenüber dem Abstand der Feldleitelektroden von den gespeisten Elektroden
etwas vergrößert. Der Thermistor besteht also praktisch aus einer Serienschaltung von drei Einzelwiderständen zwischen
zwei jeweils balkenförmigen Elektroden.
Das Prinzip der Feldleitelektroden 1st selbstverständlich auch bei anders geformten Elektroden, z.B. bei den kreisförmigen
Elektroden gemäß Fig. 1 anwendbar. Die Zahl der Feld··
leitelektroden kann beliebig gewählt werden.
Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeisplel eines Iherelstors
nach der Erfindung, bei dem auf der Haupt fläche eines eigenleitenden,
einkristallinen Halbleiterkörpers entsprechend dem
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Ausführungsbeispiel nach Pig. 2 zwei balkenförmige, über
Anschlußdrähte j5 kontaktierte gespeiste Elektroden 2 und
zwischen diesen zwei balkenförmige Feldleitelektroden 6 angeordnet
sind. Darüber hinaus ist Jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel auf der Hauptfläche des Halbleiterkörpers noch eine
leitende Randbegrenzung angeordnet, die jedoch elektrisch nicht kontaktiert ist. Diese Randbegrenzung 7 führt parallel
zu dem zwischen den gespeisten Elektroden 2 fließenden Strom 11 einen zusätzlichen Strom 12, so daß sich eine weitere Verbesserung
der Verteilung der elektrischen Energie ergibt. Da der elektrische Widerstand des Pfades für den Strom 12
Im wesentlichen durch den Abstand zwischen den Elektroden 2 und der inneren Begrenzung der leitenden Randbegrenzung bestimmt
wird, der bei der Herstellung sehr genau eingehalten werden kann, bleibt die Breite der Randbegrenzung, die von
den Streuungen der ausseren Abmessungen des Halbleiterkörpers
abhängig ist, ohne wesentlichen Einfluß auf den Gesamtwiderstand. Diese Randbegrenzung hat den weiteren Vorteil, daß
die bei der Trennung der einzelnen Halbleiterkörper voneinander erforderliche Ritzung mit einem Diamanten nicht die zähe
Isolierschicht (z.B. eine SiOp-Schicht) zu durchdringen braucht,
Dies läßt sich bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. und 2 nur durch einen zusätzlichen, die Ritzlinien von der
Isolierschicht freiätzenden Verfahrensschritt erreichen.
Bei der Herstellung der beschriebenen Thermistoren werden die
Elektroden und gegebenenfalls die Randbegrenzung auf die Hauptfläche des Halbleiterkörpers durch die bei der Massenherstellung
von Halbleiterbauelementen üblichen Verfahren aufgebracht. Dies ist hauptsächlich das Aufdampfen unter Verwendung
photolithographisch hergestellter Masken. Dabei werden zunächst die Hauptflächen aller (jetzt noch zusammenhängenden)
Halbleiterkörper mit einer geeigneten Isolierschicht, z.B. aus SiO2, bedeckt, aus der dann nach Aufbringen einer Maske
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aus Photolack die Flächen wieder herausgeätzt werden, auf
denen der Halbleiterkörper zur Bildung der Elektroden und gegebenenfalls der Randbegrenzung mit Metall bedeckt werden
soll. Ist dies geschehen, wird das Metall, z.B. Gold, aufgedampft und gegebenenfalls in die Oberfläche des Halbleiterkörpers
einlegiert.
Es ist jedoch unter Umständen auch möglich, die die Elektroden
und gegebenenfalls die Randbegrenzung bildenden Metallschicht ten mit Hilfe der Siebdrucktechnik auf die Hauptflächen der
Halbleiterkörper aufzubringen.
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Claims (1)
- PatentansprücheThermistor aus einkristallinem Halbleitermaterial mit mindestens zwei auf eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Form, die Größe und der gegenseitige Abstand der Elektroden (2,6) so gewählt ist, daß die Stromdichte im Halbleiterkörper am Rande der Hauptfläche und auf allen anderen Flächen im Vergleich zur Stromdichte im Zentrum der Hauptfläche sehr gering ist.2. Thermistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden gespeisten Elektroden (2) auf der Hauptfläche weitere ungespeiste, den Stromdichteverlauf beeinflussende Feldleitelektroden (6) angeordnet sind.j5. Thermistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form und Größe der Feldleitelektroden (6) von Form und Größe der gespeisten Elektroden (2) verschieden sind.4. Thermistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Feldleitelektroden (6) einerseits und den Feldleitelektroden und den gespeisten Elektroden (2) andererseits verschieden groß sind.5. Thermistor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeisten Elektroden (2) kreisförmig sind.6. Thermistor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfläche (l) des Halbleiterkörpers mit einer leitenden Randbegrenzung (7) versehen ist.- 10 -209830/0310- ίο -γ. Thermistor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfläche des Halbleiterkörpers mit einer Schutzschicht (K) versehen ist.8. Thermistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Siliziumdioxid besteht.9. Thermistor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die der Hauptfläche gegenüberliegende Fläche des Halbleiterkörpers mit einer aus Siliziumdioxid oder Aluminium oxid bestehenden Schutzschicht (5) versehen ist.10. Thermistor nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus eigenleitendem Germanium, Silizium oder Indium-Antimonid besteht.11. Verfahren zum Herstellen eines Thermistors nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und gegebenenfalls die Randbegrenzung unter Verwendung photolithographischer Techniken auf die Hauptfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht werden.12. Verfahren zum Herstellen eines Thermistors nach mindestens ■ einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daßdie Elektroden und gegebenenfalls die Randbegrenzung mit Hilfe der Siebdrucktechnik auf die Hauptfläche des Halblei terkcrpers aufgebracht werden.209830/0310
Priority Applications (4)
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