RU2035808C1 - Voltage-to-frequency converter - Google Patents

Voltage-to-frequency converter Download PDF

Info

Publication number
RU2035808C1
RU2035808C1 SU4922145A RU2035808C1 RU 2035808 C1 RU2035808 C1 RU 2035808C1 SU 4922145 A SU4922145 A SU 4922145A RU 2035808 C1 RU2035808 C1 RU 2035808C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resistance
layer
charge carriers
minority
dielectric layer
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Б.В. Корнилов
В.В. Малышев
В.В. Привезенцев
А.Г. Щетинин
Original Assignee
Привезенцев Владимир Владимирович
Щетинин Александр Григорьевич
Корнилов Борис Васильевич
Малышев Владимир Владимирович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Привезенцев Владимир Владимирович, Щетинин Александр Григорьевич, Корнилов Борис Васильевич, Малышев Владимир Владимирович filed Critical Привезенцев Владимир Владимирович
Priority to SU4922145 priority Critical patent/RU2035808C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2035808C1 publication Critical patent/RU2035808C1/en

Links

Landscapes

  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

FIELD: electrical and radio engineering. SUBSTANCE: voltage-to-frequency converter is manufactured in the form of multilayer structure composed of semiconductor substrate 1, dielectric layer 4, gate 5 and ground 7 metal electrodes. Semiconductor substrate carries high-resistance semiconductor layer 3 with opposite type of conductance which thickness does not exceed diffusion length of its minority carriers. Two low-resistance regions 2 of same type of conductance placed at distance not more than five diffusion lengthes of minority carriers are formed in high-resistance layer 3. Gate metal electrode 5 is located on dielectric layer 4 arranged on high-resistance semiconductor layer 3 between contact metal electrodes 6 positioned in low-resistance regions 2. High resistance semiconductor layer 3 includes deep and shallow dopes of opposite signs. Ratio of concentration of minority and majority carriers is greater than ratio of lifes of shortlived and long-lived charge carriers. EFFECT: enhanced operational stability and reliability. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к приборам для измерения токов или напряжений, в которых предусмотрена возможность индикации их наличия или направления с использованием преобразования напряжения или тока в частоту электрических колебаний и измерением этой частоты. The invention relates to devices for measuring currents or voltages, in which it is possible to indicate their presence or direction using the conversion of voltage or current into the frequency of electrical oscillations and measuring this frequency.

В настоящее время в электроизмерительной технике широко используются цифровые вольтметры напряжения постоянного тока [1] В них используются различные первичные преобразователи (датчики) напряжения, общим недостатком которых является то, что их выходной сигнал является аналоговым. Поэтому в состав цифровых вольтметров входят два обязательных узла: АЦП, преобразующий выходной сигнал датчиков в цифровой код в соответствии со значением измеряемой величины, и цифровое отсчетное устройство, отражающее значение измеряемой величины в цифровой форме. В частности, среди цифровых вольтметров наибольшее распространение получили интегрирующие вольтметры, в которых значение измеряемого напряжения сначала преобразуется в частоту электрического сигнала, которая в свою очередь измеряется стандартным цифровым частотомером. Общим недостатком приборов такого класса является их громоздкость, заключающаяся в использовании сложных и дорогостоящих АЦП. Currently, in electrical engineering, digital DC voltmeters are widely used [1]. They use various primary voltage converters (sensors), the common disadvantage of which is that their output signal is analog. Therefore, the composition of digital voltmeters includes two mandatory nodes: an ADC that converts the output signal of the sensors into a digital code in accordance with the value of the measured value, and a digital reading device that reflects the value of the measured value in digital form. In particular, among digital voltmeters, the most common are integrating voltmeters in which the value of the measured voltage is first converted to the frequency of the electrical signal, which in turn is measured by a standard digital frequency meter. A common disadvantage of devices of this class is their bulkiness, which consists in the use of complex and expensive ADCs.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство [2] выполненное в виде многослойной структуры, состоящей из полупроводниковой подложки, диэлектрического слоя, затворного и земляного металлических электродов. На диэлектрическом слое расположен пьезоэлектрический слой с металлическими встречно-штыревыми преобразователями на нем. С их помощью в пьезоэлектрике возбуждаются поверхностные акустические волны. Между затворным электродом, находящимся на пьезоэлектрическом слое, и нижним земляным электродом, находящимся на тыльной стороне полупроводниковой подложки, прикладывается измеряемое напряжение. При этом происходит изменение упругих свойств пьезоэлектрической пленки и изменение частоты преобразователя. Для ее контроля используется частотная автогенераторная схема, когда преобразователь электрического напряжения вводится в цепь обратной связи высокочастотного усилителя. Преобразователь характеризуется следующими параметрами: относительная чувствительность
αf=

Figure 00000002
/df/dv/ 0,0093%B рабочая частота fo 214 МГц.The closest technical solution to the invention is a device [2] made in the form of a multilayer structure consisting of a semiconductor substrate, a dielectric layer, a gate and earth metal electrodes. A piezoelectric layer with metal interdigital transducers on it is located on the dielectric layer. With their help, surface acoustic waves are excited in a piezoelectric. A measured voltage is applied between the gate electrode located on the piezoelectric layer and the lower ground electrode located on the back of the semiconductor substrate. In this case, a change in the elastic properties of the piezoelectric film and a change in the frequency of the transducer occur. To control it, a frequency oscillator circuit is used when an electric voltage converter is introduced into the feedback circuit of a high-frequency amplifier. The converter is characterized by the following parameters: relative sensitivity
α f =
Figure 00000002
/ df / dv / 0.0093% B operating frequency f o 214 MHz.

Недостатком такого прибора является низкая относительная чувствительность. The disadvantage of this device is the low relative sensitivity.

Целью изобретения является повышение относительной чувствительности. The aim of the invention is to increase relative sensitivity.

Для достижения цели в устройстве в виде многослойной структуры, состоящей из полупроводниковой подложки, диэлектрического слоя, затворного и земляного металлических электродов, на полупроводниковой подложке расположен высокоомный полупроводниковый слой с противоположным типом проводимости толщиной не более диффузионной длины его неосновных носителей заряда, в котором сформированы две низкоомные области с тем же типом проводимости, находящиеся на расстоянии не более пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда слоя, затворный металлический электрод размещен на диэлектрическом слое, расположенном на высокоомном полупроводниковом слое между контактными электродами, находящимися на низкоомных областях, причем высокоомный полупроводниковый слой содержит мелкую и глубокую примеси противоположного знака, а отношение концентрации неосновных и основных носителей заряда более отношения времен жизни коротко- и долгоживущий носителей заряда. To achieve the goal, in the device in the form of a multilayer structure consisting of a semiconductor substrate, a dielectric layer, a gate and ground metal electrodes, a high-resistance semiconductor layer with an opposite type of conductivity with a thickness of no more than the diffusion length of its minority charge carriers is formed on the semiconductor substrate, in which two low-resistance are formed regions with the same type of conductivity located at a distance of no more than five diffusion lengths of minority charge carriers of the layer are closed The th metal electrode is placed on a dielectric layer located on a high-resistance semiconductor layer between contact electrodes located in low-resistance regions, the high-resistance semiconductor layer containing small and deep impurities of the opposite sign, and the ratio of the concentration of minority and main charge carriers is more than the short-and long-life ratio charge carriers.

Устройство поясняется чертежом, на котором показаны полупроводниковая подложка 1, низкоомная область 2, высокоомный полупроводниковый слой 3, диэлектрический слой 4, затворный металлический электрод 5, контактный электрод 6, земляной металлический электрод 7. The device is illustrated in the drawing, which shows a semiconductor substrate 1, a low resistance region 2, a high resistance semiconductor layer 3, a dielectric layer 4, a gate metal electrode 5, a contact electrode 6, an earth metal electrode 7.

Материалом высокоомного полупроводникового слоя служит эпитаксиальная пленка полупроводника, содержащего мелкую и глубокую примеси противоположного знака, причем отношение концентрации неосновных и основных носителей заряда более отношения времен жизни коротко- и долгоживущих носителей заряда. Известно, что в таком материале при электрических полях около 10 В/см возбуждается электрическая неустойчивость типа рекомбинационных волн. В электрической цепи, состоящей из источника напряжения постоянного тока, нагрузочного резистора и заявляемого устройства, включенного через контактные металлические электроды, возникают синусоидальные автоколебания тока звуковой частоты, вызванные возбуждения рекомбинационных волн. При подаче измеряемого постоянного электрического напряжения между затворным металлическим электродом и земляным металлическим электродом в полупроводниковом высокоомном слое вследствие эффекта поля в зависимости от знака измеряемого напряжения возникает либо обогащение, либо обеднение носителями заряда этого слоя. В результате изменяется частота синусоидальных колебаний тока. Таким образом, измеряется напряжение непосредственно преобразуется в частоту. Пpи этом устройство обладает большей относительной чувствительностью за счет более низкой основной рабочей частоты. Для возбуждения неустойчивости в эпитаксиальном полупроводниковом слое необходимо, чтобы его толщина была не менее диффузионной длины неосновных носителей заряда. Как показали исследования, рекомбинационные волны возбуждаются в статическом домене сильного поля, длина которого не превышает пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда, поэтому расстояние между низкоомными областями с контактными металлическими электродами на них выбирается не более его (домена) длины. The material of the high-resistance semiconductor layer is an epitaxial film of a semiconductor containing shallow and deep impurities of the opposite sign, and the ratio of the concentration of minority and major charge carriers is more than the ratio of the lifetimes of short- and long-lived charge carriers. It is known that in such a material, electric instabilities of the type of recombination waves are excited at electric fields of about 10 V / cm. In the electric circuit, consisting of a DC voltage source, a load resistor and the inventive device, connected via contact metal electrodes, sinusoidal self-oscillations of the sound frequency current occur, caused by the excitation of recombination waves. When a measured constant electric voltage is applied between a gate metal electrode and an earth metal electrode in a semiconductor high-resistance layer, due to the field effect, depending on the sign of the measured voltage, either enrichment or depletion of charge carriers of this layer occurs. As a result, the frequency of sinusoidal current oscillations changes. Thus, the measured voltage is directly converted to frequency. In this case, the device has greater relative sensitivity due to the lower main operating frequency. To instability in an epitaxial semiconductor layer, it is necessary that its thickness be not less than the diffusion length of minority charge carriers. Studies have shown that recombination waves are excited in a static domain of a strong field, the length of which does not exceed five diffusion lengths of minority charge carriers; therefore, the distance between low-resistance regions with contact metal electrodes is chosen to no more than its (domain) length.

Пример конкретного выполнения. An example of a specific implementation.

Эпитаксиальный слой кремния n-типа, легированный фосфором, толщиной 50 мкм с удельным сопротивлением 20 Ом.см выращивался на кремниевой подложке p+-типа, легированной бором, с удельным сопротивлением 0,01 Ом.см толщиной 300 мкм. Кремний термически окислялся до толщины пленки двуокиси кремния 0,5 мкм. Далее методом легирования из паровой фазы в откачанных ампулах проводилось легирование кремния цинком, причем выполнялось соотношение

Figure 00000003
< NZn< Np
После процесса диффузионного отжига пленка двуокиси кремния удалялась. Удельное сопротивление кремния в процессе диффузионного отжига повышалось до значения 2.104 Ом.см, а тип проводимости не изменялся. Концентрация и времена жизни носителей заряда составляли: n=3,1.1011 см-3, p=2.108 см-3, τn= 1,6.10-2 с, τp= 3.10-6 с. Затем проводилось пиролитическое осаждение пленки двуокиси кремния толщиной 0,1 мкм. Техникой фотолитографии формировались область этой пленки между контактными и окна в окисле для низкоомных областей. Последние области n+-типа проводимости создавались методом ионного легирования фосфором (доза 3000 мкКл/см2, энергия 40 кэВ) через маску из алюминия толщиной 1 мкм, которая предварительно напылялась на пленку двуокиси кремния, с последующим некогерентным импульсным фотонным отжигом длительностью 5-20 с. Концентрация электронов в этих областях составляла 1.1019 см-3. Далее с обеих сторон пластины напылялся слой алюминия толщиной 1 мкм и техникой фотолитографии на лицевой стороне пластины формировались затворный металлический электрод и контактные металлические электроды на низкоомных областях, расположенные на расстоянии 200 мкм друг от друга. Это расстояние меньше пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда высокоомного полупроводникового слоя, так как диффузионная длина составляет Lр 70 мкм. Далее следует операция скрайбирования пластин на кристаллы размером 1х1 мм2, которые с помощью эвтектики золото-кремний сажались на ножку корпуса ТО-18.An epitaxial layer of n-type silicon doped with phosphorus, 50 μm thick with a resistivity of 20 Ohms . cm was grown on a silicon p + -type substrate doped with boron with a specific resistance of 0.01 Ohms . cm 300 microns thick. Silicon was thermally oxidized to a film thickness of silicon dioxide of 0.5 μm. Next, by doping from the vapor phase in the evacuated ampoules, silicon was doped with zinc, and the ratio
Figure 00000003
<N Zn <N p
After the process of diffusion annealing, the silicon dioxide film was removed. The specific resistance of silicon during diffusion annealing increased to a value of 2 . 10 4 ohms . cm, and the type of conductivity did not change. The concentration and lifetimes of charge carriers were: n = 3.1 . 10 11 cm- 3, p = 2 . 10 8 cm- 3, τ n = 1.6 . 10- 2, τ p = 3. 10 -6 p. Then, pyrolytic deposition of a silicon dioxide film with a thickness of 0.1 μm was carried out. The photolithography technique formed the region of this film between the contact and the windows in the oxide for low-resistance regions. The last regions of the n + -type of conductivity were created by the method of ion doping with phosphorus (dose 3000 μC / cm 2 , energy 40 keV) through a 1-μm thick aluminum mask that was previously sprayed onto a silicon dioxide film, followed by incoherent pulsed photon annealing for 5–20 with. The electron concentration in these regions was 1 . 10 19 cm -3 . Then, an aluminum layer 1 μm thick was sprayed on both sides of the wafer and a gate metal electrode and contact metal electrodes were formed on the low-resistance regions located at a distance of 200 μm from each other on the front side of the wafer using photolithography technique. This distance is less than five diffusion lengths of minority charge carriers of the high-resistance semiconductor layer, since the diffusion length is L p 70 μm. This is followed by the operation of scribing the plates on crystals 1x1 mm 2 in size, which, using a gold-silicon eutectic, were mounted on the leg of the TO-18 body.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Собирается электрическая цепь из последовательно соединяемых источника питания постоянного тока величиной 20 В, нагрузочного резистора с номиналом 4,7 МОм и устройства по изобретению, включенного через контактные металлические электроды. В цепи возникают спонтанные синусоидальные колебания тока с частотой fo 2,30 кГц и амплитудой Uo 100 мВ. При приложении измеряемого постоянного электрического напряжения величиной V 5 В между затворным и земляным металлическими электродами происходит изменение частоты колебания тока, причем если знак измеряемого напряжения "-", то Δ f 70 Гц. Таким образом, измеряемое напряжение непосредственно преобразуется в частоту электрического сигнала. Преобразователь характеризуется следующими параметрами: относительная чувствительность αf 0,61%/В, рабочая частота fo 2,3 кГц.An electrical circuit is assembled from a 20 V DC power supply connected in series, a 4.7 MΩ load resistor and a device according to the invention connected through contact metal electrodes. In the circuit, spontaneous sinusoidal current oscillations occur with a frequency of f o 2.30 kHz and an amplitude of U o 100 mV. When a measured DC voltage of 5 V is applied between the gate and earth metal electrodes, the current oscillation frequency changes, and if the sign of the measured voltage is "-", then Δ f 70 Hz. Thus, the measured voltage is directly converted to the frequency of the electrical signal. The converter is characterized by the following parameters: relative sensitivity α f 0.61% / V, operating frequency f o 2.3 kHz.

Преобразователь напряжения в частоту по изобретению по сравнению с базовым объектом, в качестве которого можно взять прототип, обладает следующими преимуществами: большей относительной чувствительностью (0,61% /В вместо 0,0093%/В); меньшими габаритами (1х1 мм2 вместо 10х2,5 мм2); меньшей рабочей частотой (2,3 кГц вместо 214 МГц), отсутствием высокочастотного усилителя, что позволяет упростить электронную схему преобразования и регистрации частотного выходного сигнала прибора.The voltage-to-frequency converter according to the invention, in comparison with the base object, which can be taken as a prototype, has the following advantages: greater relative sensitivity (0.61% / V instead of 0.0093% / V); smaller dimensions (1x1 mm 2 instead of 10x2.5 mm 2 ); lower operating frequency (2.3 kHz instead of 214 MHz), the absence of a high-frequency amplifier, which allows to simplify the electronic circuit for converting and recording the frequency output signal of the device.

Claims (5)

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ, выполненный в виде многослойной структуры, состоящей из полупроводниковой подложки, диэлектрического слоя, затворного и земляного металлических электродов, отличающийся тем, что, с целью увеличения относительной чувствительности, на полупроводниковой подложке расположен высокоомный полупроводниковый слой с противоположным типом проводимости толщиной не более диффузионной длины его неосновных носителей заряда, в котором сформированы две низкоомные области с тем же типом проводимости, находящиеся на расстоянии не более пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда слоя, затворный металлический электрод размещен на диэлектрическом слое, расположенном на высокоомном полупроводниковом слое между контактными электродами, находящимися на низкоомных областях, при этом высокоомный полупроводниковый слой содержит мелкую и глубокую примеси противоположного знака, а отношение концентраций неосновных и основных носителей заряда более отношения времен жизни коротко- и долгоживущих носителей заряда. 1. A FREQUENCY VOLTAGE CONVERTER IN FREQUENCY, made in the form of a multilayer structure consisting of a semiconductor substrate, a dielectric layer, a gate and ground metal electrodes, characterized in that, in order to increase the relative sensitivity, a high-resistance semiconductor conductivity layer with an opposite with a thickness not exceeding the diffusion length of its minority charge carriers, in which two low-resistance regions with the same type of wire are formed property located at a distance of not more than five diffusion lengths of minority charge carriers of the layer, the gate metal electrode is placed on the dielectric layer located on the high-resistance semiconductor layer between the contact electrodes located in low-resistance regions, while the high-resistance semiconductor layer contains shallow and deep impurities of the opposite sign, and the ratio of the concentrations of minority and major charge carriers is more than the ratio of the lifetimes of short- and long-lived charge carriers. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводника использован кремний. 2. The Converter according to claim 1, characterized in that silicon is used as a semiconductor. 3. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве глубокой примеси использован цинк. 3. The Converter according to claims 1 and 2, characterized in that zinc is used as a deep impurity. 4. Преобразователь по пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве мелкой примеси использован фосфор или мышьяк. 4. The Converter according to claims 1 to 3, characterized in that phosphorus or arsenic is used as a fine impurity. 5. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического слоя использован диоксид или нитрид кремния. 5. The converter according to claims 1 and 2, characterized in that silicon dioxide or nitride is used as the dielectric layer.
SU4922145 1991-03-29 1991-03-29 Voltage-to-frequency converter RU2035808C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4922145 RU2035808C1 (en) 1991-03-29 1991-03-29 Voltage-to-frequency converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4922145 RU2035808C1 (en) 1991-03-29 1991-03-29 Voltage-to-frequency converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2035808C1 true RU2035808C1 (en) 1995-05-20

Family

ID=21566746

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4922145 RU2035808C1 (en) 1991-03-29 1991-03-29 Voltage-to-frequency converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2035808C1 (en)

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока. Л.: Энергия, 1976, с.1-45. *
2. Urabe S. Volfage Cofrolled Mouolitic SAW. Phase shifter and its Application a Freguency Variable Oscillator. IEEE Traus. SU-29, N 5, 1982, p.255. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Goulding et al. Leakage current in semiconductor junction radiation detectors and its influence on energy-resolution characteristics
McGarrity et al. Silicon carbide JFET radiation response
Van der Ziel Flicker noise in electronic devices
Gunn Instabilities of current in III–V semiconductors
Riesz High speed semiconductor photodiodes
Lile Surface photovoltage and internal photoemission at the anodized InSb surface
JP4037917B2 (en) X-ray detection element and method of operating the element
Moore Collection length of holes in a‐Si: H by surface photovoltage using a liquid Schottky barrier
Zohta A New Method for Determination of Deep‐Level Impurity Centers in Semiconductors
Gourrier et al. Oxidation of GaAs in an oxygen multipole plasma
DiDomenico et al. Optical frequency mixing in bulk semiconductors
Akamatu et al. Photoconductivity of violanthrone
US5350944A (en) Insulator films on diamonds
RU2035808C1 (en) Voltage-to-frequency converter
Stab Thin epitaxial silicon detectors
Favennec et al. Al/Al2O3/InP MIS structures
Dubecký et al. Electrical and detection properties of particle detectors based on LEC semi-insulating InP
Bartelink et al. Diffusion of electrons in silicon transverse to a high electric field
Van Overstraeten et al. Theoretical investigation of the efficiency of drift-field solar cells
GB2056171A (en) Stored photoconductivity radiation dosimeter
Drummond High purity germanium radiation detectors
Pan et al. Photoconductive measurements on microwave-assisted plasma-enhanced chemically vapor deposited diamond films
Schneider et al. Applications of photoconductivity measurements in n-InSb under crossed fields
RU2046330C1 (en) Gas detector
Rozhkov et al. Energy barriers at the interfaces in the MIS system Me-Yb 2 O 3-Si