PL112971B1 - Method for manufacturing a semiconductor pressure sensing element - Google Patents

Description

Opis patentowy opublikowano: 15.03.1982 Int. C1.2 H01L 29/84 G01L 1/18 Twórcy wynalazku: Marcin Konczykowski, Elwira Szafarkiewicz, Michal Baj, Leszek Konczewicz, Sylwester Porowski Uprawniony z patentu: Zjednoczone Zaklady Produkcji Aparatury Nau¬ kowej Osrodek Badawczo-Rozwojowy Wysokich Cisnien „Unipress"; Celestynów (Polska) Sposób wykonania pólprzewodnikowego czujnika cisnienia i.Wynalazek dotyczy sposobu wykonania 'pólprze¬ wodnikowego czujnika cisnienia, polegajacego na wytworzeniu materialu pólprzewodnikowego z was¬ ka przerwa energetyczna.Jednym z najbardziej rozpowszechnionych czuj¬ ników cisnienia hydrostatycznego sa czujniki man- ganinowe. Czujniki te sa nawijane z drutu manga- ninowego w postaci róznego typu cewek. Nastepnie tak wykonane cewki poddaje sie wygrzewaniu dla usuniecia naprezen, oraz montuje sie w urzadzeniach wysokocisnieniowych w sposób umozliwiajacy po¬ miar rezystancji tych czujników. Czujniki te znaj¬ duja zastosowanie przede wszystkim do pomiaru cisnien idealnie hydrostatycznych w temperaturach zblizonych do temperatury pokojowej.Wada sposobu wykonania tych czujników jest ko¬ niecznosc stosowania dlugich odcinków drutu man- ganinowego, co w konsekwencji daje wysoka niesta¬ bilnosc wskazan w wypadku wystapienia niejedno¬ rodnosci cisnienia. W niskich temperaturach, wada czujników jest silna zaleznosc rezystancji mangani- nu od temperatury. Mimo tych wad czujników urza¬ dzenia wyposazone w te czujniki sa stosowane za¬ równo w temperaturach pokojowych, jak równiez w niskich temperaturach, np. ponizej 77°K.Celem wynalazku jest wykonanie czujnika niepo- siadajacego wad powszechnie stosowanych czujni¬ ków szczególnie w niskich temperaturach. Cel ten osiagnieto domieszkujac pólprzewodnik z waska przerwa energetyczna pierwiastkami dajacymi sta- 10 20 25 30 ny donorowe w sposób taki aby spelniony byl wa¬ runek EF kT, gdzie EF — energia Fermiego, k — stala Boltzmana T — temperatura bezwzgledna, oraz aby koncentracja elektronów przewodnictwa byla niezalezna od cisnienia i temperatury, Uzyskarfy w ten sposób krysztal jest mechanicznie rozdrob¬ niony na mniejsze czesci, które nastepnie sa mon¬ towane w urzadzeniu wysokocisnieniowym w spo¬ sób umozliwiajacy pomiar rezystancji. Sposób ten umozliwia uzyskanie czujnika cisnienia nadajacego sie do stosowania przede wszystkim w niskich tem¬ peraturach. Czujnik jest malo wrazliwy na niehy- drostatyczne naprezenia, wskazania jego sa malo za¬ lezne od temperatury, oraz charakteryzuje sie duza czuloscia i poprawnoscia oraz powtarzalnoscia wskazan.Przykladowe charakterystyki czujników wykona¬ nych sposobem wedlug wynalazku przedstawione sa na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zaleznosc rezystancji od cisnienia w temperaturze 300°K oraz w temperaturze 77°K dla dwóch czujników róznie domieszkowanych, fig. 2 przedstawia zaleznosc rezy¬ stancji czujnika od temperatury dla kilku wybra¬ nych cisnien. Uzyskany znanymi sposobami mate¬ rial pólprzewodnikowy InSb domieszkujemy jedno¬ rodnie selenem wedlug jednego ze znanych proce¬ sów domieszkowania. Koncentracja wyprowadzo¬ nych domieszek jest wyzsza niz 1017 cm-8. Uzyskany tak krysztal zostal pociety na prostopadlosciany* o wymiarach 0,3X0,3X3 mm, do których przyluto- 112971112971 wano kontakty. Takuzyskany czujnik zostal zamon¬ towany w urzadzeniu wysokocisnieniowym.W pólprzewodnikach wplyw cisnienia na rezy¬ stancje wiaze sie na ogól zarówno ze zmianami ruch¬ liwosci jak i koncentracji nosników. Dla uzyskania wlasciwej pracy urzadzenia pomiarowego material z którego jest wykonany czujnik powinien byc tak dobrany by zmiany opornosci zwiazane ze zmiana koncentracji nosników odpowiadaly zmianom ruch¬ liwosci. Dla pólprzewodników z waska przerwa energetyczna warunek ten moze byc latwo spelnio¬ ny. W materialach tych cisnienie w istotny sposób zmienia pasma przewodnictwa i co za tym idzie sa duze zmiany ruchliwosci. Ze wzgledu na mala mase efektywna kulombowski potencjal wokól donorów nie daje stanów zlokalizowanych takze w zakresie niskich temperatur koncentracji nosników w pasmie przewodnictwa i nie zalezy ani od cisnienia ani od temperatury. Dla wiekszosci pólprzewodników ó pa¬ smie przewodnictwa typu Kane'a zaleznosc ruchli¬ wosci od cisnienia jest w przyblizeniu liniowa i wy¬ nosi od kilku do kilkudziesieciu % na 10 kbar. Dla uzyskania czujników o rezystancji niezaleznej od temperatury material zostal tak domieszkowany aby dominujacym mechanizmem rozpraszania elektro¬ nów bylo rozpraszanie na defektach sieci. W czujni¬ kach wykonanych z pólprzewodnika InSb przewod¬ nictwo elektryczne okreslone bylo elektronami z mi¬ nimum y. Niezaleznosc koncentracji od cisnienia 10 15 20 25 i temperatury wynika z braku pobudzen elektrono¬ wych poprzez przerwe energetyczna, oraz z braku zlokalizowanych poziomów w poblizu poziomu Fer¬ miego. Najblizsze stany, które wplywaja na rezy¬ stancje w wysokim cisnieniu leza znacznie powyzej poziomu Formiego, i tak Es = 0,45 eV, ESe = 0,52 eV, ETe = 0,62 eV. Tylko dla czujników z pólprzewod¬ nika domieszkowanego siarka poziomu Es limituje maksymalne cisnienie do 15 kbar. Dla dwóch pozo¬ stalych domieszek granice stanowi przemiana fazo¬ wa, która ma miejsce w 25 kbar. PL

Claims (2)

1. Zastrzezenie patentowe Sposób wykonania pólprzewodnikowego czujnika cisnienia, polegajacy na wytwarzaniu materialów pólprzewodnikowych z waska przerwa energetyczna, znamienny tym, ze material pólprzewodnikowy do¬ mieszkuje sie pierwiastkami dajacymi stany <4pnoro- we, w sposób taki, aby spelniony byl warunek Er kT, gdzie EF — energia Fermiego, k — stala Boltzmana, T — temperatura bezwzgledna, oraz aby koncentracja elektronów przewodnictwa byla nieza¬ lezna od cisnienia i temperatury, po czym uzyskany krysztal jest mechanicznie rozdrobniony na mniej¬ sze czesci, które nastepnie sa montowane w urza¬ dzeniu wysokocisnieniowym w sposób umozliwiaja¬ cy pomiar rezystancji. 2,5, i 1 1 T T o» 4 3 2 11 i i i I I I 1 1 • 'I InSbSe No 17 *»••#* • ••• •• • • • • ••• e OoOOO O OO O0OOO O O O O O. O O O - ¦*¦ ¦¦¦ ¦¦¦¦¦¦¦¦¦ _ 1 1 II 1 -1 P-21kbor 1 P-19,ekbar 1 H p-9,6kbor 1 p-6,6«b«r 1 -1 P-IHf 1 1 1 4o 8o T[K] 12o Fig.1 Fig.

2. ZGK, zam. 8786/1110/4/81, 120 Cena 45 zl PL