DE2314455A1

DE2314455A1 - Thermistor

Info

Publication number: DE2314455A1
Application number: DE19732314455
Authority: DE
Inventors: Herbert S Berman
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-03-31
Filing date: 1973-03-23
Publication date: 1973-10-04
Also published as: FR2178957B1; FR2178957A1; IT982659B; GB1380379A; CA963585A; US3832668A; JPS4910780A

Description

DIPL.-1NG. KLAUS NEUBECK[FR

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 22. Harz 1973

41,485
7326

Westinghouse Electric Corp.
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Thermistor

, Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Thermistoren und insbesondere auf einen Thermistor zur lies sung hoher Temperaturen.

Halbleiterkörper aus Siliziumkarbid sind bisher kommerziell zur Herstellung von Dioden für Hochleistungsgleichrichter verwendet worden. Derartige Dioden arbeiten bei Temperaturen bis zu 500° C und unter StrahlungsbelastungJ^die ein Zehnfaches der Strahlung betragen, bei der konventionelle Siliziumgleichrichter außer Betrieb gesetzt werden, wenn sie ihr ausgesetzt sind. Es ist jedoch noch nicht bekannt geworden, Halbleiterkörper aus Siliziumkarbid für irgendwelche Zwecke oberhalb 5OO° C zu verwenden oder sie zur Temperaturmessung in dem extrem großen Temperaturbereich von etwa -200° C bis etwa 1400° C einzusetzen.

Im allgemeinen sind Thermistoren Hassewiderstände aus halbleitenden Materialien, die einen hohen negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten haben. Es handelt sich um harte, keramikartige Halbleiter, deren elektrischer Widerstand sich bei Temperaturänderungen stark verändert. Gewöhnlich fällt der Bahnwiderstand eines Thermistors mit Anstieg der Temperatur ab und erhöht sich mit fallender Temperatur. Beispielsweise kann der Widerstand eines gewöhnlichen Thermistors bei Raumtemperatur um fast 6 % pro ° C Tempera-

Ifjlefon (OaM)WiWfAo* " ' Telegramme Custnpat

turanstieg abfallen* Diese Eigenschaft steht in einem ühirtittelba··" ren Gegensatz zu dem Verhalten von gewöhnlichenWiderständen^; te normalerweise einen schwach positiven Temperatürköef f izieftteri-^r · ' haben und deren Widerstand bei Temperaturanstieg sich eifi weftig^; erhöht und bei Temperaturabfall sinkt.

Thermistoren Sind im allgemeinen in vier uhte'rschie'dlieh'eri Formen hergestellt worden, nämlich Perlen, Scheiben, Ririge üfrd Stäbei Alle diese Bauformen werden aus verschiedenen. Miseitungen aus Metalloxiden und -sulfiden hergestellt# z. Bi den Öxide'n öder" Sulfiden von Mangan, Wickel, Kobalt, Kupfer, Uran,- E'iseri, zinfc,· Titan und Magnesium* Die Metalloxide und -sulfide Werden in verschiedenen Verhältnissen miteinander gemischt, um den für die spezielle Anwendung erforderlichen speä if i sehen Wider stand und deri dafür erforderlichen Temperaturkoe-ffizienteti z4i erhalten* Bei der Herstellung werden die Mischungen der Metalloxide und -sulfide wie erforderlich geformt und unter genau geregfeiten Bedingungen bezüglich Atmosphäre und Temperatur gesintert; Thermistoren werden entweder mit Selbsterhitzung oder mit FremderRit^urig betrieben. Bei Fremderhitzung wandeln Thermistoren die Ümgebüngs- oder Berühr ungs temperatur unmittelbar in entsprechende Strom- oder Spannungsänderungen um, wodurch extrem kleine Temperaturdifferenzen abgelesen werden können* Dadurch sind Thermistoren ungewöhnlich gut für Präzisions-Temperaturmessung, -Temperaturregelung und -Temperaturkompensation geeignet. Dabei wird ein Maß an Auflösung bzw. Verstärkung erreicht, das mit anderen Temperaturmeßwandlern, wie z* B. Thermoelementenj. nicht erzielbar ist.

Beim Betrieb mit SeIbsterwärmung wird die durch den Stromfluß durch den Thermistor erzeugte Wärme dazu benutzt, die Tewpexatur des Thermistors zu erhöhen bzw. seine Temperatur und damit seinen Widerstand zu steuern. Unter normalen Arbeitsbedingungen kann die Temperatur auf 200 - 300° G ansteigen. Dabei kann der Widerstand auf das 0,001-fache seines Wertes bei niedrigem Strom gesenkt werden. Diese Betriebsweise ist nutzbar in Vorrichtungen wie* Spannungsreglern, Amplitudenregölüngen von Oszillatoren, Mikro-

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wellen-Leistungsmessern, Gasanalysatoren, Vakuum-Meßgeräten, Durchflußmessern und selbsttätigen Lautstärke- und Leistungsniveau-Rege lungen.

Bei gewöhnlichen Thermistoren liegt das Hauptproblem in den Begrenzungen seines Temperaturbereichs. Zwar kann ein gewöhnlicher Thermistor in weiten Anwendungsbereichen verwendet werden, bei denen die Temperatur zwischen -100° C und 300° C liegt. Außerhalb dieses Temperaturbereiches kann es aber zur Zerstörung der Materialstruktur kommen, und/oder das Material hat keine Thermistoreigenschaften mehr. Z. B. kann bei höheren Temperaturen die Verarmung an freien Ladungsträgern eine Höhe erreichen, bei der das Material die Eigenschaften eines gewöhnlichen Widerstandes annimmt. Für Anwendungen unter extremen Temperaturen, insbesondere hohen Temperaturen über 300° C, müssen daher andere, schwerfällige, teure und weniger empfindliche Arten von Temperaturmeßvorrichtungen verwendet werden, z. B. Thermoelemente, optische Thermo-

R R

meter, Tempilstik und Tempilaq . Für Temperaturen oberhalb 300 C sind auch teure Diamant-Thermistoren benutzt worden, aber auch diese sind auf Temperaturen unterhalb etwa 450° C beschränkt.

Hinzu kommt, daß Thermistoren innerhalb ihres Temperatur-Arbeitsbereiches relativ niedrige Widderstände haben. Diese Eigenschaft ist für gewisse Anwendungen zur sehr genauen Temperaturmessung zu begrüßen. Ein solcher Thermistor kann z. B. mit Leichtigkeit eine Temperaturänderung registrieren bzw. messen, die nur 0,0005⁰C beträgt, wenn er in einen einfachen Brückenkreis geschaltet ist, der zur Anzeige ein Galvanometer enthält. Diese Eigenschaft wird aber bei gewissen anderen Anwendungen, bei denen eine sehr genaue Temperaturmessung verlangt wird, zu einem Problem. Wo z. B. in das System ein großer äußerer Widerstand, z.B. eine lange Zuleitung eingebaut werden muß, um eine Messung durchführen zu können, wird die Genauigkeit des Thermistors als Temperaturmeßvorrichtung stark reduziert.

Es ist bereits vorgeschlagen worden,zur Messung hoher Temperaturen einen Massethermistor aus Siliziumkarbid herzustellen. Der-

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artigen Thermistoren war aber kein Erfolg beschieden. Tatsächlich sind die Eigenschaften eines solchen Thermistors denjenigen eines Metalloxid bzw. -sulfid-Thermistors im wesentlichen ähnlich. Seine Arbeitstemperatur ist auf den Bereich unter etwa 400 C beschränkt, und sein Widerstand ist mit dem anderer Thermistoren vergleichbar, obwohl er etwas sprunghaft ist.

Die oben beschriebenen Thermistoren beruhen auf Änderungen im Bahnwiderstand des Halbleitermaterials. Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Thermistor zu schaffen, bei dem das Verhalten der Spannung oder des Stroms über einen pn-übergang in einem Silizium-Halbleiter ausgenutzt wird. Dieser Vorschlag führt jedoch zu den gleichen Einschränkungen, wie sie bereits oben für · Masse-Thermistoren aufgezeigt worden sind. Tatsächlich steigt der Grad der Verarmung an freien Ladungsträgern derart an, daß ein Silizium-Thermistor mit pn-übergang im wesentlichen auf die Anwendung bei Temperaturen unter etwa 200° C beschränkt ist und daß sein Widerstand im Arbeitstemperaturbereich verringert ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sperrschicht-Thermistor mit hohem Widerstand zu schaffen, mit dem

ο bis über, sehr genaue Temperaturmessungen im Bereich von -200 G /1400 C möglich sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Sperrschicht-Thermistor mit hohem Widerstand erfindungsgemäß gelöst durch einen Siliziumkarbid-Grundkörper mit gegenüberliegenden Hauptflächen und mindestens einem ersten und einem zweiten Störstellenbereich, entgegengesetzten Leitungstyps, zwischen denen sich ein pn-übergang befindet und die sich jeweils vom pn-übergang zu einer der Hauptflächen erstrecken; an jeder Hauptfläche angebrachte, eine Ohmsche Verbindung zum jeweiligen Störstellenbereich herstellende elektrische Primärkontakte; bei den vom Thermistor zu messenden Temperaturen beständige Sekundärkontakte zur Ohmschen Verbindung zwischen Primärkontakten und einer elektrischen Schaltung; und eine Einrichtung zum Schütze der Primär- und Sekundärkontakte vor Oxidation und den zu messenden Temperaturen.

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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur genauen Temperaturmessung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Sperrschicht-Thermistors , das dadurch gekennzeichnet ist, daß an den mindestens einen pn-übergang enthaltenden SJMiziumkarbid-Grundkörper eine Spannung zum Aufbau einer Vorspannung über den pnübergang angelegt wird; daß der Grundkörper der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird; unö daß der sich ergebende Widerstand über den pn-übergang gemessen wird, wenn der GrunnkÖrper der Temper atur ausgesetzt ist.

Die Sekundärkontakte, die eine Ohrnsche Verbindung zwischen den metallischen Primärkontakten und der elektrischen Schaltung herstellen, dienen dazu, den Siliziumkarbid-Grundkörper an die elektrische Schaltung anzuschließen, um so den Thermistor zu bilden. Die Sekundärkontakte erhalten vorzugsweise eine mechanische Vorspannung, z. B. mittels einer Feder, oder sie sind bei hoher Temperatur hartgelötet, so daß sie den Temperaturen widerstehen können, die mit der speziellen Ausfuhrungsform des Thermistors gemessen werden sollen. VIeiterhin ist der Thermistor eingekapselt, z. B. in einer Vakuumkammer, um bei den zu messenden Temperaturen zumindest die metallischen Primärkontakte vor den Einwirkungen der Atmosphäre, z. B. Oxidation und Korrosion zu schützen. Bei Verwendung von Kontakten aus Siliziumkarbid ist die Oxidation nicht von Belang, so daß bei gewissen Ungebungsbedingungen eine Ver- . kapselung nicht erforderlich wäre. Trotzdem wird grundsätzlich eine Verkapselung benötigt, um einen Schutz gegen Feuchtigkeit und andere Störeinflasse zu erzielen, durch die im Material örtlich begrenzte -iiderstandswege aufgebaut werden können.

Im Betrieb wird die Temperatur durch den Thermistor als sich über den pn-übergang ergebender Tii.lerstand gemessen, wenn der Siliziumkarbid-Grundkörper der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird. Der hohe Widerstand über den pn-übergang ändert sich stark mit Tempcraturänderungen. Ks hat sich herausgestellt, daß bei niedriger Vorspannung (z. B. unter .3 Volt) der Wirlerstand eine logarithiriisch-linoare Funktion der Temperatur zwischen etwa -200° C und etwa 1OOO° C ist. Ks konnte festgestellt werden, daß sich der

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Widerstand in diesem^Temperaturbereich von etwa 1 κ, ΙΟ. - 1 „x, IO ., Ohm ändert. Oberhalb· 1000° C ändert sich der Widerstand auch,njQ.ch.„ stark, allerdings nicht-logarithmisch linear» Dadurch ist es. mit.. Hilfe externer Verarbeitung des Ausgangssignals möglich, Temperaturwerte zu erhalten. ,. .

Der Gradient der Störstellenkonzentration im Anschluß an den pnübergang kann jeden geeigneten Charakter haben, d. h. steil oder flach, symmetrisch oder asymmetrisch sein. Ein.flacher und symmetrischer Gradient ist zu bevorzugen, um einen größeren an Ladungsträgern verarmten Bereich zu erzielen und damit über den weitestmöglichen Temperaturbereich ein logarithmisch-lineares Ausgangssignal zu erzeugen. Dagegen wird für die Messung niedrigerer Temperaturen und für eine sehr genaue Temperaturmessung über einen schmalen Temperaturbereich das beste Ergebnis durch einen steilen symmetrischen Gradienten erreicht, da dann der Widerstand niedriger ist und der Anteil der Verarmung an Ladungsträgern größer ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist robust und dauerhaft und kann im Grunde genommen jede beliebige Größe und Form haben. Ihr Verhalten hat sich als unabhängig von der Flächengröße des pnübergangs erwiesen. Im Gegensatz zu Thermoelementen erhält man bei der er findungs gemäßen Vorrichtung als AArsgangssignal einen absoluten Meßwert und benötigt keine Bezugsgröße * Weiterhin kann die. Vorrichtung wegen ihres hohen Widerstandes zur.genauen Anzeige von Temperaturänderungen an entfernten Stellen eingesetzt v/erden. So ist.ein Einbau in rotiarendan Maschinenteilen mit Anschluß über Schleifringe (z. B. in Turbinen und Generatoren), in lebensfeindlicher Umgebung (z. B. in biologischen und Kernreaktoren oder in öfen und Gefäßen zur Stahlherstellung) und in anderen Anlagen möglich, wo die Einbeziehung eines nicht unbeträchtlichen äußeren Widerstandes unumgänglich ist.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Siliziumkarbid-Halbleiterkörper für einen Thermistor senkrecht zum pn-übergang;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Thermistor mit einem

Siliziumkarbid-Halbleiterkörper nach Fig. 1;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Widerstandsverlaufs

in Abhängigkeit von Temperaturänderungen bei einem erfindungsgemäßen Thermistor;

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Stromverlaufs in

Abhängigkeit von der Vorspannung über einen pnübergang eines Siliziumkarbid-Thermistors für verschiedene Temperaturen; und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine v/eitere Ausführungs—

form eines Thermistors mit dem Siliziumkarbid-Halbleiterkörper nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Halbleiterplättchen von etwa 0,25 - O,5 mm Dicke bezeichnet, das einander gegenüberliegende Hauptflächen 11 und 12 sowie Seitenflächen 13 aufweist und aus Siliziumkarbid hergestellt ist. An die Hauptfläche 11 schließt sich ein n-leitender Störstellenbereich 14 an, während sich an die Hauptfläche 12 ein p-leitender Störstellenbereich 15 anschließt. Zwischen dem η-leitenden und dem p-leitenden Störstellenbereich 14 bzw. 15 befindet sich ein pn-übergang 16.

Das Halbleiterplättchen 10 kann durch eines der bekannten Verfahren erzeugt werden, z. B. mit Hilfe der Sublimations- oder Isoepitaxialtechnik. Die gebräuchlicheren Kristallzüchtungsverfahren, z. B. das epitaxiale Ziehen aus einer Schmelze, sind nicht

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durchführbar, da bei Siliziumkarbid ein echter flüssiger Zustand bei normalem Drücken entweder nicht erreicht werden kann oder überhaupt nicht existiert. Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung eines SiIiziumkarbid-Halbleiterkristalle besteht in der SublimationsZüchtung aus der Dampfphase.

Das Sublimationsverfahren besteht in einer-Verdampfung und einer, anschließenden Kondensierung. Der Siliziumkarbid-Dampf diffundiert von einer erhitzten Siliziumkarbid-Charge in eine kältere Kondensationsform, in der die Kristallisation erfolgt. Die Kondensationsform besteht aus einem dünnwandigen, durchlässigen Graphitzylinder, der von einer Charge von granuliertem Siliziumkarbid oder einer Mischung von granuliertem Kohlenstoff und granuliertem Silizium umgeben ist. Charge und Kondensationsform befinden sich in einem Graphittiegel. Die gesamte Anordnung wird in einem Ofen, ζ. Β. durch einen Graphit-Heizwiderstand oder durch Hochfrequenzerwärmung auf etwa 2500° C erhitzt.

Während der Hitzeeinwirkung sublimiert das Siliziumkarbid der Charge. Der Dampf dringt durch die durchlässigen Wände der Kondensationsform und kondensiert sich auf deren Innenwand, so daß Kristallisationskerne entstehen. Diese Kristallisationskerne wachsen dann weiter. Dieses Wachstum durch Kondensation ist deshalb möglich, weil die wachsenden Kristalle, durch Strahlung an die etwas kälteren Enden der zylindrischen Kondensationsform ^TTärme abstrahlen. Die auf diese Weise aufgebauten Kristalle sind hexagonale Plättchen mit einer Dicke von 0,25 - O,5 mm. Die Breitenabmessungen dieser Kristalle liegen zwischen weniger als 2 ιητη und mehr als 1 cm. Die größeren Kristalle werden durch eine dichtere Siliziumkarbid-Charge und längere Wachsturasperioden erzeugt. Das Halbleiterplättchen 10 wird anschließend dadurch hergestellt, daß man die hexagonalen Plättchen von den Wänden der Kondensationsform entfernt und sie mit einem Ultraschall—Schneidgerät oder einer Diamantscheibe zerschneidet.

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Die Störstellenbereiche 14 und 15 des Halbleiterplättchens 10 v/erden gewöhnlich während, möglicherweise aber auch teilweise nach der Züchtung der hexagonalen Plättchen hergestellt. Der gewachsene Grundkörper besitzt entweder n- oder p-Störstellen je nachdem, vrelcher in den Ofen eingeleitete bzw. der Charge beigemischte Fremdstoff überwiegt, übliche Stoffe zur Erzeugung von p-Störstellen sind Aluminium und Bor. Zur Herstellung von η-Störstellen können Phosphor, Antimon und Arsen benutzt werden. Besonders ist dazu allerdings Stickstoff geeignet.

Wenn das Halbleiterplättchen 10 während des Wachstums mit n-Störsteilen dotiert worden ist, können anschließend der p-leitende Störstellenbereich 15 und der pn-übergang 16 dadurch erzeugt werden, daß durch die Hauptfläche 12 hindurch p-Störstellen eindiffundiert werden. Dieses Verfahren ist jedoch nicht zweckmäßig, da das Halbleiterplättchen IO etwa 40 - 50 Stunden lang auf etwa 2000° C erhitzt werden muß, uiu eine Diffusionstiefe von etwa 4 a. m zu erreichen. Aus diesem Grunde werden sowohl der Störstellenbereich 14 als auch der Störstellenbereich 15 vorzugsweise während des durch Sublimation erfolgenden Wachstums des Siliziumkarbidkristalls gebildet, indera die Fremdstoffe nacheinander der den wachsenden Kristall umgebenden Atmosphäre zugefügt werden, so daß der erste Teil des gewachsenen Kristalls p- bzw. η-leitend und der restliche Teil entsprechend entgegengesetzt leitend wird. Hierbei entsteht der pn-übergang 16. Allerdings kann der pn-übergang 16 einen relativ breiten Intrinsic-Bereich aus relativ reinem, undotiertem Siliziumkarbid oder eine relativ breite Kompensationszone enthalten, in der sich die Störstellen entgegengesetzten Leitertyps die vVaage halten. Dies kann insbesondere dann vorkommen, wenn der Übergang von der Zuführung des ersten Fremdstoffes zur Zufünrung des zweiten Fremdstoffes relativ langsam vonstatten geht. t:Iin v/eiterer Gesichtspunkt, der für die Dotierung mit beiden Fremdstoffen während des iiachs turns spricht, ist die bessere Steuerbarkeit der Gradienten der Störstellenkonzentration. Der Konzentrationsgradient kann flach oder steil, symmetrisch oder asymmetrisch sein, je nach Menge und/oder Zeitdauer der Zuführung der Fremdstoffe zu der den wachsenden Kristall umgebenden Atmosphäre.

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Auf jeden Pall besitzt das entstehende Halbleiterplättchen IO einen n-leitenden Störstellenbereich 14 mit einem geeigneten -Fremdstoff , z. B. Stickstoff mit einer typischen Konzentration von 1 χ 10 - 1 χ 10 Atomen/cm , sowie einen p-leitenden Störstellenbereich 15 mit Bor oder Aluminium als Fremdstoff und einer typischen Konzentration von etwa 1 χ 10 - 1 χ 10 Atomen/cm . 2ur Erzielung bester Ergebnisse sollte die Störstellenkonzentration des n-leitenden Störstellenbereichs 14 die Störstellenkonzentration des p-leitenden Störstellenbereichs 15 um mindestens eine Größenordnung übersteigen.

In Fig. 2 ist ein Thermistor zur Messung von Temperaturen bis etwa 1000° C dargestellt, in dem das in Fig. 1 gezeigte Halbleiterplättchen 10 verwendet wird. An den Hauptflächen 11 und 12 sind Wolframkontakte 17 bzw. 18 befestigt, um einen Ohmschen Kontakt zu dem n-leitenden und dem p-leitenden Störstellenbereich 14 bzw. 15 herzustellen. Die Störstellenbereiche 14 und 15 können den Wolframkontakten 17 und 18 beliebig zugeordnet sein, ohne daß eine bestimmte Zuordnung bevorzugt wäre. Die Wolframkontakte 17 und 18 werden auf den Hauptflächen 11 bzw. 12 dadurch befestigt, daß das Halbleiterplättchen 10 zusammen mit den bereits an ihrem Platz befindlichen Wolframkontakten 17 und 18 in einer inerten Atmosphäre auf etwa 1900 C erhitzt werden, wodurch eine Diffusionsverbindung aus Wolframkarbid (fest) und Wolframsilicid (flüssig) zwischen Halbleiterplättchen 10 und Wolframkontakten 17 und 18 entsteht.

Anstelle der Wolframkontakte 17 und 18 können auch Kontakte aus hochdotiertem Siliziumkarbid (genannt "entartetes Siliziumkarbid") vorgesehen v/erden. Verfahren und Vorrichtung zur Befestigung solcher Kontakte am Halbleiterplättchen 10 sind in der am 21. 4. eingereichten US-Patentanmeldung Ser. No. 30 481 der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung ausführlich beschrieben.

Mach Befestigung der Wolfrarakontakte 17 und lⁿ wird an dem Wolframkontakt 18 über einen Sekundärkontakt 20 ein Zuleitungsdraht aus Wolfram angebracht, der eine Ausbiegung aufweist, um eine

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Wärmeausdehnung zu ermöglichen. Der Sekundärkontakt 20 besteht aus einem Gold-Tantal-Hartlot, z. B. aus einem Hartlot aus 94 % Gold und 6 % Tantal. Am Wolfrainkontakt 17 wird mittels eines aus dem gleichen Hochtemperatur-Gold-Tantal-Hartlot bestehenden Sekundärkontaktes 22 eine Kappe 21 aus nickellegiertem Stahl befestigt.

Zn dem Thermistor gehört ein Gehäuse 23, das z. B. aus nickelle-•jiertem Stahl besteht und über ein flexibles Kabel 24 gestülpt ist. Die aus Halbleiterplättchen 10, Wolframkontakten 17 und 13, Zuleitungsdraht 19, Kappe 21 und Sekundärkontakten 20 und 22 bestehende Baugruppe w;Lrd dann mit dem Kabel 24 verbunden, welches einen z. B. aus nickellegiertem Stahl bestehenden Kabelmantel 25 aufweist, durch den ein Leiter 26 aus Wolfram geführt ist. Zwischen Kabelmantel 25 und Leiter 26 befindet sich eine Isolation 27, die z. B. aus Aluminiumoxid (Al₃O₃) oder Magnesiumoxid (i-lgO) besteht. Um das Halbleiterplättchen 10 mit dem Kabel 24 zu verbinden, wird der Zuleitungsdraht 29 an dem Leiter 26 durch eine Lötstelle 28 befestigt, die auch aus dem oben bereits angeführten Gold-Tantal-Hartlot besteht.

Der Thermistor-Aufbau wird dann dadurch fertiggestellt, daß das Gehäuse 23 in eine Lage verschoben wird, in der es sich längs einer Paßfläche 29 mit der Kappe 21 zusammenfügt. Kappe 21, Gehäuse 23 und Kabel 24 umschließen nun einen Innenraum 30, der dann evakuiert wird und gegebenenfalls anschließend mit einer inerten Atmosphäre, z. 3. Argon, gefüllt wird. Das Gehäuse 23 wird dann durch Hartlöten mittels eines Hartlotes, z. B. einer Gold-Tantal-Legierung im Bereich der Paßfläche 29 mit der Kappe 21 und durch eine Kehlnaht 31 mit dem Kabel 24 verbunden. Dadurch werden das Halbleiterplättchen 10 und die Wolframkontakte 17 und 18 vollständig verkapselt, so daß die Kontakte vor Oxidation geschützt sind, wenn die Anordnung den zu messenden Temperaturen ausgesetzt wird.

Der dargestellte Thermistor ist für den Betrieb mit externer Erwärmung vorgesehen. Am Halbleiterplättchen 10 und damit am pn-

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Übergang 16 wird eine Vorspannung angelegt, wodurch ein Stromkreis über den Leiter 26 und das Gehäuse 23 als ?-iasse gebildet wird. Die Vorspannung beträgt vorzugsweise für alle Anwendungszwecke weniger als 3 Volt (z. B.+^ 1 V), so daß das Verhalten über einen weiten Temperaturbereich von etwa -200° C .- 1000 C logarithmisch-linear ist und daß der Betrielisstrom klein ist und somit die interne Erwärmung vernachlässigbar gering ist.

In Fig. 3 ist der Widerstandsverlauf eines Thermistors dargestellt, der den Thermistor in Fig. 2 ähnelt.und bei dem hartgelötete Sekundärkontakte aus Gold-Tantal verwendet werden. In Fig. 3 geben die Ordinatenwerte den Widerstand in 0hm, die oberen Abszissenwerte die Temperatur in .C und die unteren Abszissenwerte die Temperatur in K an. Die durchgezogene Kurve A zeigt den logarithmisch-linearen Verlauf des Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur zwischen etwa -200° C und etwa 1000° C bei einer Vorspannung von etwa 1 Volt. Der Widerstand nimmt um weniger als den Faktor 10/100° C ab. Oberhalb 1000° C ist auch noch ein meßbares Widerstandsverhalten vorhanden, jedoch ist dieses nicht mehr logarithmisch-linear, da eine Verarmung an freien Ladungsträgern auftritt, wodurch der Bahnv/iderstand ein wesentlicher Bestandteil des Widerstandsverhaltens wird. Für eine genaue Temperaturmessung oberhalb etwa 1000° C ist es daher erforderlich, das Ausgangssignal extern zu verarbeiten, um es zu kalibrieren. Brauchbare Ausgangssignale können noch bei Temperaturen erhalten werden, die an 1100° C, dem Schmelzpunkt der Sekundärkontakte 2O und 22, heran- ■ reichen. Die in Fig. 3 mit B bezeichnete strichpunktierte Kurve stellt das Widerstandsverhalten derselben Vorrichtung bei einer Vorspannung von etwa 10 V dar. Bei dieser Betriebsweise wird ein stärker abfallender logarithmisch-linearer Widerstandsverlauf (mehr als ein Faktor 1O/1OO C) über einen schmalen Bereich niedriger Temperatur erzielt, wodurch eine genaue Ablesung in diesem Bereich möglich ist. Diese Betriebsweise hat jedoch den Nachteil, daß der Temperaturbereich, in dem der Widerstandsverlauf logarith- ■ misch-linear ist, verringert wird, da bei hohen Temperaturen eine schnellere Verarmung an freien Ladungsträgern erfolgt.

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Fig. 4 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien eines Thermistors ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten bei zunehmend höheren Temperaturen T , T₂ und ?,. Aus den dargestellten Kennlinien geht hervor, daß bei steigender Temperatur der positive KennliniGnteil von einem flachen zu einem steilen Anstieg Übergeht, während im negativen Kennlinienteil die Durchbruchsspannung verringert wird und der Durchbruch weniger abrupt erfolgt. Aus diesem Grunde ist es vorzuziehen, daß der Thermistor mit niedrigen Vorspannungen betrieben wird, so daß, wie oben beschrieben, ein Widerstandsverlauf über die gesamte Skala erreicht wird.

Zur näheren Erläuterung der Vorteile und Grenzen der Erfindung wurden drei zusätzliche Thermistoren hergestellt, die dem in Fig. 2 dargestellten Thermistor ähneln und bei denen die Sekundärkontakte 20 und 22 aus verschiedenen Hartloten hergestellt wurden, nie beiden ersten Vorrichtungen, bezeichnet mit AFD-I15 und AFD-119 wurden mit einem Silberlot harfegelötet, das einen Schmelzpunkt von etwa 600° C aufwies. Die dritte Vorrichtung, mit WAD-182 bezeichnet, wurde mit einer eutektischen Gold-^Iickel-Legierung (32,5 % Gold und 17,5 % Nickel) mit einem Schmelzpunkt von etwa 850° C hartgelötet. Die Zuleitungen jedes Thermistors wurden nacheinander an ein Ohmmeter mit hohem Innenwiderstand (z. B. ein Keithleyr Elektrometer) angeschlossen, um den Stromkreis zu schließen, und jeder Thermistor wurde in einem Widerstandsofen im Vakuum verkapselt. Der Widerstandsverlauf der jeweiligen Thermistoren in Abhängigkeit von der Temperatur wurde dann gemessen, wobei sich folgende Meßwerte ergaben:

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Widerstand in Ohm

Temp.	AFD-	χ	—■	115	-	AFD-I19	χ	< ¹⁰7	WAD-	χ	182
O_n '■'	5,8	χ		¹⁰S 10*	-	1,2	χ~	/ζ	1,6	χ	ίο⁹
25	4,0	χ	--	10	-	1,7	χ	¹⁰4 10 ⁱ	3,2	X	10§
100	1,8	χ	—	ΙΟ³		9,1	X		3,5	X
200	2,4	X			4,8	X		5,3	X	10
300	5,0	X		4,0	X		9,0	X	10
400	1,0		5,9			1,2	X
500				2,3	X	1O^
600	_»*	—,-	7,5	X	10
700		■ 5,0		ίο³
750

^rJie sich aus der Tabelle ergibt, war der Widerstandsverlauf jedes Thermistors in seinem Betriebstemperaturbereich logarithmischlinear. Der Betriebsbereich war jedoch durch eine Temperatur unter* halb des Schmelzpunktes der Sekundärkontakte 20 und 22 begrenzt.

Der Thermistor gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch in außerhalb der Temperatürmessung liegenden Anwendungen von Mutzen. ¹TIe aus Fig. 4 hervorgeht, ändert sich die Strom-Sriannungs^Kennlinie bei Temperaturänderungen in bestimmter Weise* Daher kann die durch den Stromfluß durch den Thermistor erzeugte Wärme zur Erhöhung und Steuerung seiner Temperatur und ■ "damit zur Steuerung seines. Widerstandes benutzt v/erden. Der Thermis-tör- kann dementsprechend in Einsatzgebieten mit hohen Temperaturen mit Selbsterwärmung betrieben werden. Darüber hinaus ergibt sich aus der temperaturabhängigen Änderung der Strom-Spannungs-Kennlinie, daß der Thermistor die Eigenschaft hat, große Leistungen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen zu schalten, wenn eine hohe oositive Vorspannung an ihn angelegt ist.

In Fig. 5 1st eine alternative Ausführungsform eines Thsrnistors gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein Halbleiterplättchen 10', das dem Halbleiternlättchen 10 nach Fig. 1 entspricht, ist mit i'lolframkontakten 17' und 1°.· versehen, di? vie oben beschrieben durch Diffusion mit dem Halbleiterpiättchen 10' verbunden sind.

40/09 49.

2 3 1 A A 5 5

■'lit *0 ist in Pig. 5 ein zylindrisches Gehäuse ans nickellegierteri Stahl bezeichnet, das nine einstückig η it ihn verbundene Absohlußkan^e ^Λ1 aufv/eist. ^r)as TTalbleitsrrlTttch^n 1O' mit ('en Olframkontakten 17' mi-i IP' ist in -5as offene ^n"e des Gehäuses ^O eingeschoben- Her Außendurchmesser des '^Tolframkontaktes 17' und der Innendurchmesser des Gehäuses ΛΠ bilden eine Fassung mit geringer Toleranz, um eine Festlegung des "albleiternlättchens 10' im Gehäuse 4O zu ermöglichen. Der ZuPenDurchmesser des ^rJolfraiukontaktes 1"' ist geringer als der Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses 40, so daC dar VToIf rarakontakt 1?" nicht mit aera Cehäuse 4O in ^T;erühruncf kommt und Icein Kurzschließen des Tliermistors erfolgen kann.

7..n^r3chließend v/erden in das offene T.'nde des Gehäuses Λ0 Isolierstücke 42 aus Alurainiui.ioxid eingeführt. Panach wird ein r?5ohrföri'iiger Kontakt 43 aus Uolfram durch das offene Ende in das Gehäuse ^A.O eingeführt, durch Bohrungen 44 in den Isolierstücken 42 hindurchgesteckt und mit einem Ende mit dem. Uolframkontakt 13' in Berührung gebracht.

hm offenen ^nde des Gehäuses 40 ist eine keramische Kappe ^5 mit einer Randverstärkung 46 aus nicke!legiertem Sta\1 vorgesehen. Durch die keramische Kappe 45 ist ein "uleitungsdraht 47 geführt und an der keramischen Kappe 45 unverrückbar befestigt. Übe:p6en Z-uleitungsdraht 47 v/ird eine Feder 4P gestülpt.Diese Anordnung wird dann auf das offene Ende des zylindrischen Gehäuses 40 aufgesetzt, vrodurch der rohrförmige Kontakt 43 unter mechanischer Vorspannung gegen den Wolframkontakt 18' gedrückt wird und wodurch ein Ohmscher elektrischer Xontakt zwischen den Zuführungsdraht 47 und dem rohrförmigen Kontakt 43 hergestellt wird. Das zylindrische Gehäuse ^ird dann evakuiert und gegebenenfalls mit einer inerten Atmospähre, z. B. Argon gefüllt. Die Randverstärkung 46 wird dann längs einer Flanschverbindung 49 mit dem zylindrischen Gehäuse 40 mittels eines IIochtemperatur-Hartlotes, z. B. einer Gold-Tantal-Legierung, hartverlötet.

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- ie - ' . 23H455

Der zuletzt beschriebene Thermistor hat den Vorteil, daß seine Sekundärkontakte durch mechanische Vorspannung hergestellt werden und nicht durch Materialien'mit relativ niedrigem Schmelzpunkt. Die Obergrenze seiner Arbeitstemperatur ist daher nicht der Schmelzpunkt der Sekundärkontakte. Aus diesem Grunde ist zu erwarten (wenngleich es noch nicht geraessen worden ist) , daß ein brauchbares Temperatur-Widerstands-Verhalten bei Temperaturen oberhalb 1400° C und möglicherweise sogar bis fast 1900° C, deri Schmelzpunkt dar Wolframkontakte 17' und IB¹> vorhanden ist.

Vorstehend sind die derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben worden. Es ist aber leicht einzusehen, daß die Erfindung im Rahmen der Patentansprüche in vielfältiger Weise sich verkörpern kann und benutzt werden kann.

Patentansprüche:

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Claims

-17- 7314455 Patentanspruch _e ^

1. Sperrschicht-Thermistor mit hohem 'Widerstand, gekennzeichnet durch einen Siliziumkarbid-Grundkörper mit gegenüberliegenden Hauptflächen (11, 12) und mindestens einem ersten und einen zweiten Störstellenbereich (14 bzw. 15) entgegengesetzten Leitungstyps, zwischen denen sich ein pn-übergang (16) befindet und die sich jeweils vom pn-übergang (16) zu einer der Hauptflächen (11 bzw. 12) erstrecken; an jeder Hauptfläche (11, 12) angebrachte, eine Ohmsehe Verbindung zum jeweiligen Störstellenbereich (14 bzw. 15) herstellende elektrische ^riraärkon takte; bei den vom Thermistor zu messenden Temperaturen beständige Sekundärkontakte (20, 22) zur Ohmschen Verbindung zwischen den Primärkontakten und einer elektrischen Schaltung; und einer Einrichtung zum Schütze der Primär- und Sekundärkontakte vor Oxidation und den zu messenden Temperaturen.

2. Sperrschicht-Thermistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärkontakte mechanisch vorgespannt sind.

3. Sperrschicht-Thermistor nach JVnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärkontakte aus dotiertem Siliziumkarbid bestehen.

4. Sperrschicht-Thermistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärkontakte aus Wolfram bestehen.

5. Sperrschicht-Thermistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärkontakte an den Hauptflächen (11,12) durch Diffusionsverbindung befestigt sind.

6. Verfahren zur genauen Temperaturmessung unter Anwendung des Sperrschicht-Thermistors nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß an den mindestens einen pn-übergang enthaltenden Siliziumkarbid-Grundkörper eine Spannung zum Aufbau einer Vorspannung über den pn-übergang angelegt wird; daß der Grundkörper der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird;

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. .und daß der sich ergebende Widerstand über den pn-übergang
gemessen wird, wenn der Grundkörper der Temperatur ausgesetzt ist. .

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Temperatur durch äußere Wärmezufuhr zum Qrundkörper erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch β, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Temperatur durch elektrischen Stronfluß durch den
Grundkörper erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 - 3,dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Widerstand in einer elektrischen Schaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignals verwendet wird.

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