DE2407972C3

DE2407972C3 - Magnetfeldunabhängige Temperaturmeßvorrichtung, die für tiefe Temperaturen geeignet ist

Info

Publication number: DE2407972C3
Application number: DE19742407972
Authority: DE
Inventors: Ignaz Dr. 8000 München Eisele
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-02-19
Filing date: 1974-02-19
Publication date: 1981-06-19
Also published as: DE2407972B2; DE2407972A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmeßvorrichtung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Eine Temperaturmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff ist aus der DE-OS 22 04 153 bekannt, bei der der Thermo-Widerstandseffekt von Halbleitermaterial genutzt wird Es ist dort eine 1 μκΐ dicke Schicht vorgesehen, in der gegenüber dem übrigen Halbleiterkörper höhere Leitfähigkeit vorliegt

Nach dem Stand der Technik sind Temperaturmeßvorrichtungen bekannt, deren Temperaturfühler folgende Empfindlichkeiten

bei T-5,2K haben:

Temperaturfühler

a) Ge-Widerstand

b) Si-DiodeDT500

c) GaAs-Widerstand TG 100

d) Kohlewiderstand (Allen-Bradley)

035... 0,45 grd-' 0,2 grd-' 0,2 grd-'

04 grd-'

Die Temperaturfühler a) bis c) weisen mittlere bis schwache Magnetfeldabhängigkeit auf, während sie bei dem Kohlewiderstand d) praktisch verschwindet.

Aus der Literaturstelle »Advandes in Solid-State Physics« XIlI, 1973, S. 215-239 ist bekannt, daß die im Volumen eines Halbleiters vorhandenen Energiebänder in Oberflächennahe in Subbänder aufspalten. Hierdurch entsteht ein^ zweidimensionales Elektronen- oder Löchergas. Die Oberfiächenquantisierung beschränkt die Bewegung der Ladungsträger auf Richtungen, die senkrecht zur Oberflächennormalen liegen.

Der empfindlichste Temperaturfühler a) ist wegen seiner hohen Magnetfeldabhängigkeit von ΔΤ/ ΔΒ>0,\ K/Tesla bei Γ-5.2Κ für die häufig im Magnetfeld notwenidgen Temperaturmescungen schlecht brauchbar. Außerdem sind die Empfindlichkeiten der Fühler a) bis d) für einen bestimmten Temperaturbereich festgelegt und somit während der Temperaturmessung nicht mehr verstellbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Temperaturmeß-

vorrichtung anzugeben, bei der sich durch einfache Mittel die Empfindlichkeit in einem vorgegebenen Temperaturbereich variieren läßt, wobei die höchste erreichbare Empfindlichkeit über denen der bekannten Temperaturmeßfühler liegen soll. Gleichzeitig soll eine wenigstens praktisch völlige Magnetfe.' -!Unabhängigkeit erreicht sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit einem Temperaturfühler gelöst, der erfindungsgemäß gekennzeichnet ist, wie dies im Kennzeichen des

4-, Patentanspruches 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Auf einem elektrisch isolierenden Körper ist an einer seiner Oberflächen nichtentartetes Halbleitermaterial, vorzugsweise Si, Ge, eine IH-V- oder II-VI-Verbindung,

V) mit mindestens zwer in jeweils wenigstens einer Richtung nicht sperrenden Kontakten aufgebracht, wobei dieses Halbleitermaterial nur in einer dünnen oberflächennahen Schicht wesentliche elektrische Leitung aufweist und eine Quantisierung der Energiezu- stände der Ladungsträger eintritt. Auf dem Halbleiterkörper zwischen zwei Kontakten ist eine Isolationsschicht mit einer darauf befindlichen Steuerelektrode angeordnet, mittels welcher durch eine elektrische Spannung die Einstellung der Dicke der oberflächenna hen leitenden Schicht und somit die Empfindlichkeit im gewählten Temperaturbereich erfolgt. Der Temperaturfühler ist so angeordnet, daß die Normale der oberflächennahen Schicht senkrecht auf der Richtung eines äußeren Magnetfeldes steht.

μ Gemäß* einer Weiterbildung der Erfindung sind in der oberflächennahen Halbleiterschicht implantierte Ionen in einer solchen Konzentration vorgesehen, daß eine gewünschte, insbesondere hohe Empfindlichkeit im

gewählten Temperaturbereich gegeben ist.

Gemäß einer speziellen Ausbildung der Erfindung ist die Dicke der Halbleiterschicht so gering gewählt, daß alle Teile der Schicht Quantisierung der Energiezustände aufweisen, insbesondere ist hier auch der Wegfall der auf der Halbleiterschicht angeordneten Isolationsschicht einschließlich der Steuerelektrode vorgesehen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Temperaturfühler so in einer Matrix angeordnet, daß tine nahezu punktweise Ausmessung eines Temperaturfeldes erfolgt.

Zur Erfindung führten folgende Gedankengänge: An der Grenzfläche eines Halbleiters zu einem Isolator kommt es wegen der unterschiedlichen Austrittsarbeiten der Ladungsträger zu einer Verbiegung der Leitungs- und Valenzbänder im Halbleiter nach dessen Oberfläche zu. Dies führt zu einer Aufspaltung in Subbänder mit der Aufspaltungsenergie £/ innerhalb des gebildeten »Potentialtopfes«:

2m

j_er/

l/3

2/3

worin -ti die Planksche Konstante, e die Elementarladung und m* die effektive Masse der Elektronen ist und Eobcrfiidiedas Maß der im Innern des Halbleitermaterials an dessen Oberfläche vorhandenen, zur Oberfläche senkrechten, oberflächenspezifischen und gegebenenfalls zusätzlich von außen angelegten elektrischen Feldes ist. Die Ladungsträger können sich somit nur noch in zur Oberfläche parallelen Flächen bewegen. Auch bei Existenz eines äußeren, zur Oberflächennormalen it senkrecht stehenden Magnetfeldes B ändert sich hieran nichts. Steht B nicht mehr vollständig senkrecht zu rS, tritt eine wie aus F i g. 1 entnehmbarer Anteil einer Magnetowiderstandsänderung ein. Kleine Abweichungen Δφ von φ = 0 bewirken aber wegen des Minimums der dort wiedergebenden Sinusfunktion nur einen geringen Anteil einer Magnetfeldabhängigkeit. Obwohl ab ß>4 T eine weitere Aufspaltung in Landauniveaus erfolgt, verursacht dies keine Magnetfeldabhängigkeit, da diese Quantisierung ebenfalls parallel zur Oberfläche ist Auch bei sehr hohen Magnetfeldern bis ß» 15 T existiert nach bisherigen Messungen keine Magnetfeldabhängigkeit.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß sich die Empfindlichkeit des Temperaturfühlers durch ein elektrisches Feld, welches eine Komponente in Richtung ^besitzt, verändern läßt, wie es in F i g. 2 für zwei Spannungen bei vorgegebener Isolationsschichtdicke angedeutet ist In einem gewählten Temperaturbereich nimmt somit die Empfindlichkeit mit abnehmender Spannung zu. Außerdem erfolgt eine Erhöhung der Empfindlichkeit durch einen Einbau ionisierter Störstellen, z. B. mit Ionenimplantation, da hierdurch die Streuung der Ladungsträger bereits bei höheren Temperaturen einsetzt Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß durch letztere Maßnahme noch Temperaturbereiche um Γ=40 K mit ausreichender Empfindlichkeit zugänglich sind.
Eine bevorzugte Ausführung des Temperaturfühlers

ι« der erfindungsgemäßen magnetfeldunabhängigen Temperaturmeßeinrichtung ist in F i g. 3 dargestellt. Auf dem elektrischen Isolator 10, der bei hinreichender Dicke des Halbleitermaterials auch entbehrlich ist, befindet sich ein Halbleiter 20 mit diffundierten Bereichen 21 des

is entgegengesetzten Leitungstyps. Zwischen den beiden Kontakten 22 und 23 liegt eine elektrische Spannung an. Der Strom von 23 nach 22 ist durch die auf dem Isolator 30 befindliche Steuerelektrode 31 geregelt. Die an der Steuerelektrode 31 liegende, zur Empfindlichkeitsein-

stellung dienerde Spannung stammt aus geeigneten, hier nicht gezeigten Geräten, wie beispielsweise einem hochkonstanten Spannungsstandard. Im Siramflußbe· reich 24, in welchem der Oberfläche parallele quantisierte Energieflächen liegen, befinden sich Ionen mit einer solchen Konzentration, die der gewünschten Empfindlichkeit im gewählten Temperaturbereich entspricht Mit einer solchen Temperaturmeßeinrichtung wurden Empfindlichkeiten |<x|=0,2 ... 0,7grd-' abhängig von der bei der Steuerelektrode 31 anliegenden Spannung

ω erreicht Eine mögliche Richtung des Magnetfeldes Sist angedeutet Die Flächennormale der Steuerelektrode ist gleichfalls eingezeichnet

Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Ausführung besteht darin, daß der Temperaturfühler mittels Planartechnologie sehr klein gestaltet ausgeführt werden kann, so daß eine nahezu punktförmige Ausmessung eines Temperaturfeldes erfolgt

Bei Anordnung mehrerer Temperaturfühler in ebener Matrixform genügt zur Messung eines dreidimensionalen Temperaturfeldes die Verschiebung dieser Matrix in nur mehr einer, zu deren Ebene senkrechten Richtung.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin, daß der Halbleiter 20 in Fig.3 eine so geringe Dicke aufweist, d?ß wegen der nahen Grenzflächen eine vollständige Quantisierung im gesamten Halbleiter vorliegt. Wählt man den Widerstand des Halbleiters 20 derart niedrig, daß auch ohne diffundierte Bereiche 21 die Kontakte 22 und 23 in Stromflußrichtung nicht sperrend sind, und verzichtet man auf den Isolator 30 und die Elektrode 31, so ist damit ein kleiner, einfacher und leicht zu handhabender Temperaturfühler mit fest eingestellter Empfindlichkeit gegeben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Temperaturmeßvorrichtung, die für tiefe Temperaturen geeignet ist, mit einem Körper, der an seiner Oberfläche nichtentartet dotiertes Halbleitermaterial mit mindestens zwei in jeweils wenigstens einer Richtung nicht sperrenden Anschlußkontakten besitzt, wobei dieses Halbleitermaterial nur in einer oberflächenahen Schicht definierter Stärke wesentli- ι ο ehe elektrische Leitfähigkeit aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß für Magnetfeldunabhängigkeit dieser Temperaturmeßvorrichtung gegenüber zur Normalen der oberflächennahen Schicht (24) senkrecht gerichtetem Magnetfeld die Dicke der Schicht (24) nur noch so dünn ist, daß noch über die gesamte Dicke der Schicht (24) Quantisierung der Energiezustände der Ladungsträger vorliegt.

2. Temperaturmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem nichtentarteten Halbleitermaterial (20) zwischen zwei Kontakten eine Isolationsschicht (30) und eine auf dieser Isolationsschicht befindliche Steuerelektrode (31) zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Steuerelektrode und Halbleitermaterial zur Einstellung der Dicke der oberflächennahen Schicht (24) vorgesehen sind.

3. Temperaturmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnef. daß zur Einstellung verschiedener Empfindlichkeitsstufen für einen gewählten Temperaturbereich eine Einrichtung zur Veränderung der zwischen Steuerelektrode (31) und Halbleitermaterial anliegenden Spannung vorgesehen ist.

4. Temperaturmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß implantierte Ionen in der Schicht (24) vorgesehen sind, deren Konzentration für hohe Empfindlichkeit im vorgegebenen Temperaturbereich bemessen ist

5. Temperaturmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des nichientarieten Haibieiiermaierials (20) gleich der Dicke der oberflächennahen Schicht (24) ist.