Основы создания и применения полупроводниковых элементов и микроэлектронных устройств интегральной теплоэлектроники

Электроника во всем югре переживает очередную^{революцию.} Усложнение функщт радиоэлектронной аппаратуры привело к резкому усложнению самих радиоэлектронных систем и, как следствие, к лавинообразному росту активных и пассивных компонентов. в системах. Современный этап конструирования радиоэлектронной аппаратуры характеризуется ее комплексной миниатюризацией на основе широкого применения микроэлектронных схем, исчезает понятие «электронная компонентная база», появляется — «система на кристалле». Зачастую уже практически невозможно провести границ)-' между электронным компонентом и радиоэлектронной аппаратурой. В настоящее время уровень интеграции в СБИС превышает 104 компонентов/кристалл (площадь типовых кристаллов 2,5 мм2). Дальнейшее повышение. уровня интеграции ограничивается не проблемами проектирования интегральных схем к не технологией их изготовления, потенциальные возможности которой будут исчерпаны не скоро, а чисто физическими факторами [1].

Наиболее серьезное ограничение связано с отводом тепла от микроструктур. По мере уменьшения размеров микроструктур, возрастают трудности отвода, выделяемой ими тепловой энергии л, вследствие этого, лимитируется дальнейшее повышение уровня интеграции и надежности интегральных схем. Снижение мощности рассеяния мшфострукгур (по мере увеличения степени интеграции) за счет понижения подводимой энергии ограничено минимальной мощностью, необходимой для обеспечения работоспособности схемы.

Другим фактором, ограг-игчивамщкм уровень интеграции. является рост электрического сопротивления проводников с уменьшением размеров микроструктур, приводящий к }^еличеншо выделяемого схемой тепла п потерь в ней.

Не менее важное влияние на ограничение. уровня интеграции оказывает явление электромшрацшг в пленочных проводниках (движение ионов) при высоких плотностях тока. Это явление также обусловливает снижение надежности.

Кроме того, для обеспечения высокой надежности сложных радиоэлектронных систем, содержащих большое число интегральных схем, необходимо многократное резервирование, что приводит к увеличению числа компонентов.

Таким образом, перед интегральной электроникой по существу снова возникают те же проблемы, которые стимулироваш вначале ее развитие: 'Проблема «возрастающих количеств», организации межсоединений и повышения надежности. Несмотря на коренное преобразование технологии, интегральная: электроника не содержит в себе революдионной научной идеи, необходимой при создании сверхсложных радиоэлектронных систем. Как известно, в интегральной электронике используются принципы классической теории цепей, а сейчас уже не вызывает сомнения, что ни одно из направлений, основывающихся на классической схемотехнике, не может дать полного решения проблемы возрастающих количеств. Все эти направления обеспечивают реализацию заданных функций системы путем составления адекватной электрической схемы на соответствующих компонентах, работа которых основана на физических свойствах используемого вещества Поэтому разработка методов и средств, направленных на решение перечисленных выше проблем микроэлектроники, имеет обоснованную актуальность. Исследования и разработки последних лет в области микроэлектроники показывают, что принципиальное решение проблемы возрастающих количеств может быть получено только при полном отбрасывании понятий классических пепел и непосредственном использовании основных свойств вещества для выг:0.тксН111 функций системы. Б таком случсе эта фужщик осуществляются без объединения компонентов в системы п без многократного увеличения их количества. На этих принципах основывается отдельное направление шгьреэлектрошгки. получившее название функциональной электроники. Примерами простейших функциональных устройств могут язггться многие из уже существующих приборов, часть которых появилась задолго до того, как проблема возрастающих количеств приобрела такую актуальность. Среди них следует назвать пьезоэлектрические резонаторы, датчики холла, приборы с отрицательным сопротивлением. Широкими функциональными возможностями обладают приборы, основанные на использовании объемных явлений в полупроводниках (диоды Ганна, приборы с зарядовой связью). В этих. устройствах основная энергия рассеивается почти во всем объеме кристалла, поэтому проблемы теплоотвода в них менее серьезны, чем в классических приборах с р-ппереходами.

Для решения проблемы развития функциональной электроники требуется проведение фундаментальных исследований. Многие физические явления в твердом теле необходимо изучить теоретически и экспериментально, прежде чем они будут использованы для создания конкретных функциональных систем.

В настоящее время в радиоэлектронике существует несколько направлений исследований и разработок, основанных на непосредственном использовании известных физических явлений и их взаимодействия, которые потенциально интересны с точки зрения создания в будущем функциональных систем. К таким направлениям относятся: оптоэлектроника, акустоэлектроника, криогенная электроника, молекулярная электроника, теплоэлектроника. Базовым элементом электроники является транзистор, представляющий собой систему двух взаимодействующих р-п-переходов, причем непременным условием такого взаимодействия является достаточно малая толщина базы. Носителем информации: в транзисторе, как i?>eoop?.20 °F.лт :ль:-*-:м элементе. язллстся электрск:-:-:*! поте?: (э.тй^лгче-лгй ток). Аналсгачго к для ъсех нс. пр^-ЛсМЕГ! Ф" г2алюйПьно?1 электрскл-л характерно нкячие. своего особого элемента, вылолкльошгго преобразовательные функщгп. Ко ет. лг^ггелънсл особенность:-:" каждого направления фуньгЕЮЕазьной элехтрсяшд является испсльзовакле в преобразовательном элементе своего энергегггческ’ого потока. Тагнапример, в преобразовательном элементе огпоэлектронпки используется световой поток, в преобразовательном элементе акустоэлектрошзл — акустический поток, в преобразовательном элементе тегпо электроники — тепловой поток и т. п. В структурном отношении все преобразовательные элементы следует рассматривать состоящими из лбух основных элементов: управляющего и управляемого, — связанных между собой передающей средой. Кроме того, все преобразователи функциональной электроники имеют сходный механизм преобразования, сть которого, на примере работы оптозлектрического преобразователязаключается в следующем [2, 3].

I Мощность электрического сигнала поступающего на вход оптоэлехгрического преобразователя, преобразуется в энергию светового сигнала (первая ступень преобразования), а выделяющаяся световая энергия через светопередающую среду передается ко второму — управляемомуэлементу, чувствительному к изменению светового потока. Световая энергия преобразуется управляемым элементом в электрический сигнал (вторая ступень преобразования). Практика показывает, что перспективы развития и использования того или иного направления функциональной электроники во многом определяются конструктивными и технологическими возможностями преобразовательного элемента, а также физическими свойствами энергетического потока, примененного в конкретном преобразовательном элементе [4].

Так, например, оггтоэлектроника как наиболее развитое направление функциональной электроники, базируется на оптоэлектронных методах получения, передачи и хранения икформапшг. Основой направления является.

• загека элзктатежк сзл:^ в Гуадгппсзк: — зл=^т?енз:ых псп. тх o'&zii-ieiitzzi. ксякбзсьзкзе спткчсских cbasfeii 1№ 32.с?23гг cô-eciir-еш" полн^.г-. элялричелую развгззу между элементами п узлами радпеетвдлрока:?: устройств, мйлый vsosekb пглгсб ii высокою кздсжксстъ. Пзи этом появляется Г * х * e ^ — возможность г^тшцгппшько по-ковозг.' подожги к конст^лфовакгпо датегратьнзгх схем. Одним из первых ппггов в этом ырлрсБле.-лш явилось создание оптозлектрических пар или оптронов [4], преобразующих электрический сигнал в оптический, а затем снова в электрический, и, соответственно, представхтюших собой сочетание источника света, световода п фотопрнЬшзгка. Оптроны не чувствительны к жкрекию, вибрациямбыстродействие некоторых типов оптроноЕ измеряется наносекундами: напряжение пробоя большинства оптронов лежит в пределах 1 — 5 кВширина рабочей полосы частот превышает 5 МГц. Наиболее радикальным способом миниатхорпзащггг отоэлектр онкых устройств является создание оптических интегральных схем. Благопр^тгствуюилш. фактором оказывается то, что (многие методы технологии современной интегральной электроники находят прямое иди косвенное применение в технологии создания оптических интегральных схем. Любая оптическая интегральная схема содержит отггрон. поэтом}' решение проблемы миниатюризации оптоэлектронных устройствэто, прежде всего, решение проблемы шшиатюрюации оптрона. В качестве управляющего элемента оптрона доминирующее положение занимают нехоггреягаые источники света — полупроводниковые светокзлучзюшпе диоды. Наиболее распространёнными среди них считаются светодиоды из арсенида галлия и фосфида галлия. Однако для использования в оптических интегральных схемах больше подходят когерентные источники — лазеры. Особое место в оплоэлекгронной технике занимают полупроводниковые лазеры (лазерные диоды на основе р-л-перехода и гетеролереходные диоды).

В качестве управляемого элемента оптрона в настоящее время наиболее перспективными приёмниками света с точки зрения интегральной оптики.

•?хпот-ч ф ото ле ге^торы с г—тректсгм фотсэ^фелтсс: фс: орс:тг:т фс юи-оды <в юмчгхлг даггенкг фотодиоды), фотогряшлары.

Световоды оггпгчсскг-х интегральных схем тиготлзлгл: ль: т ул сзетоп-зоводлшпд плёнок. Сттгчътгрно тонкоплёночные световоды похожи на к, А * г 1 епшческг-з г слога?. Попгреч:-:не .размеры их ке превышает кесколшк Наиболее плоско яспользгемьгх полщкводшзившх материалом л. * * * 1 ^ 1 хля создания плёночных светоЕодов является ар с гнид галлия. Таким образен, оптической интегральной схемой является сбывшая микросхема выполненная на кристалле кремния, со встроенным в неё спгроном с помощью плёночной технологш1. Мснокрпстаттяческото варианта изготовления оптических интегральных схем. как это имеет место в классической мщроэдектрошгке. пока что не имеется. но работы в этом перспективном направлении млшгахюрпзашш ото электр онных устройств Еедутся. п развитие опгоэлектронпыг продолжается.

Оптроны н оптические интегральные схемы находят применение в контрольно-измерительной аппаратуре, блоков сопряжения компьютеров и других устройствах и являются практически первыми оптозлектронными приборами, внедрёнными в современную технику. Позднее, за счёт самостоятельного использования элементов оптрона значительно расширилась номенклатура внедряемых в современную технику оптоэлектронных компонентов, Так например, светоднолы (некогерентные источники света), выполняющие роль управляющего элемента в отроках, получили широкое применение в создании и использовании различных цифровых полупроводниковых индикаторов. Лазерные диоды (когерентные источники света) получили широкое применение в развитии отдельного направления ошоэлектроники — оптическото, которое основано на эффектах взаимодействия твёрдого тела со светом. Примерами практической реализации возможностей этого направления оптоэлектроники могут служить оптические запоминающие устройства (ЗУ) большой ёмкости, устройства распознавания образов и управляемые функциональные оптические среды. к сигаческз! ЗУ сн «аз с в-тдюзкостьг: — дс Со. т^гпг^-: глотнсст ей запас г тжформзцзп. у.?дс.

Пквкоами пргкпкесксй юезлг^ашя возможностей чтосгляемою элемента оптронсв — фотодиодов и фототранзисторов могут служить фог^электрпческпе преобразователи (датчики ссвзшЗянеста). фотоэлектрические перегспсчатели, солнечные б агар ел.

Возможности сватсЕодоЕ гораздо шире, чем выполнение функций обыкновенного еветопроводдшего элемента. Меняя толщину световода пли показатель преломления материала световода, можно добиться эффекта, создаваемого линзами и призмами. Неоднородности структуры световодов могут играть роль светоделителей и светоотражателей.

Такта образом, из обшего рассмотрения уровня и плтей развития самого совершенного в настоящее время направления функциональной электроникиоптоэлектроники, можно сформулировать типовые задач, решаемые на пути развития и совершенствования любого из перечисленных выше направлений 9 функциональной электроники:

— исследование физического явления и связанного с ним энергетического потока, способного заменить электрические связи в традиционных электронных цепях:

— создание базового преобразовательного элемента, подобного по структуре оптрону и пригодного для встраивания в обычные интегральные схемы и устройства микроэлектроники;

— исследование возможных областей применения ъж базового преобразовательного элемента, так и отдельных его компонентов (управляющего элемента, передающей среды и управляемого элемента), а также разработка на их основе приборов и устройств, пригодных для практического использования.

Теплоэлекгроника, проблемам развития которой посвящена данная работа, в ряду перечисленных выше направлений, потенциально интересных с точки зрения создания функциональных систем, находится на последнем ксеону чровяю огзгяпи. И это несмотря на то. чгоголовы*: •.•.опессы прлсут: т2ук>т в лхоом устройстве раздоздектрскзд п что: -.оцессы ПреООрХСБ^Пи! электрической ЗКсрЛПГ в 1-=:г:С2уЮ 3 ШГГЗГрЗЛЬКЫХ .л8М2л и мпкрезлектрокккх устройства: ¡-гзячены до практически ю-: т. е. тэного совершенства. Отсутствие интереса каукл к тепто электронике об^{скяется} тем. что долгое время в электронике тепловые процессы рассмотрит-лись как паразитные явления, поскольку они вызывали тепловую свш-. между компонентой! схемы и неустойчивую работу как отдельного компо-: .-ита так и всей схемы в делом. И хотя в отечественной и зарубежной л: — гературе появляются сообщения об использовании тепловой связи для. оздаяпя низкочастотных интегральных схем, разработчики электронных схем и устройств предпочитают, как и раньше, разрабатывать и внедрять методы, направленные та устранение из схем тепловых связей. Однако сущес'1 уют не только благоприятные кокстртспшные и технологические ире: лосылки внедрения элементов теплоэлехтроникп в традиционные интегратькь: — схемы, но и область эффективного их использования. Благодаря. чзличпю электрических и тепловых процессов в любой интегральной слтме, кет необходимости специального встраивания в неё элементов тешг оэле зл’роники, поскольку любой элемент схемы может быть использован в качестве преобразователя электрической энергии в тепловую и для передачи её близлежащим элементам. Таким образом, осуществление фзнкщй преобразования и передачи теплового сигнала в обычной интегральной схеме можно обеспечить благодаря использованию электрических и тепловых процессов в специально подобранных областях полуироводг-лшового кристалла с интегральной схемой. С другой стороны, тетшоэлекглтческие процессы обладают значительной инерционностью, что позволяет использовать простой метод реализации больших постоянных времени в физически малых объёмах. Таким образом, использование инер тлюкных тепловых процессов для линейного преобразования сигнала позе: ляет не низких частотах! мж- 100 Гц), «но и оФосядояъ область эффвкпзнзгз' применения теше-Электре:-^»:. О^гсо. в настоящее рргш кг существует тепло электроники, как самостоятельного направления ф>лЩиока" БНой электрокш: п. поскольку в технике отсутствует базовый интегральный пр е с бр^{сеатг.тькьй} элемент. акатепгчньгГг оятроку в оптозлехтронгке. Назовем его «теплотрон». Как было отмечено выше, по своей структуре теплотрон аналогичен оптрону. Поэтому работа посвященная основам создания базового интегрального преобразовательного элемента теплозлектрошгкп и на его основе лешоэлсъггроккых приборов и устройств, обеспечивающих подавление б микроэлектронике нового направления функциональной электроники — теплоэлектрониыг. ягляется не только актуальной, но и новой.

Анализ основных направлений исследования н. разработок в области теплсзлсктроншл!

1.1. Полупроводниковые теплозлектрпческие преобразователи на основе поликрясталляческих терморезясторов По луттр оводнтЕКОВые терморезисторы., вьгггускаемые промытекностъю, являются самьпп! распространенными изделиями, которые стати использоваться в качестве теплоэлектрических преобразователей. По своему прямому назначению полупроводниковые терморезисторы используются для преобразования изменений температуры в изменение электрического сигнала. Прнншш преобразования заключается в том, что при изменении температуры телатерморезистора изменяется его электрическое сопротивление,. приБОХизег к изменению паления налряз: етш т терморетстсре при протекании через него постоянного электр1Гческего тока [5]. Таким образом, эффективность преобразования терморезисторов зависит от того, насколько сильно зависит сопротивление используемого для изготовления терморезкстора материала полупроводника при изменении его температуры. Тело терморезпстора является его термочувствительным элементом (ТЭ), а его электрическое сопротивление — термочувствительным параметром (ТП). Поэтому для изготовления терморезисторов выбираются полупроводниковые материалы, образующие повышенным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Наиболее распространены в настоящее время терморезисторы с поликристашическим ТЭ на медно-марганпевых и кобатьто-марганцевых полупроводниковых композициях.

По значению ТКС терморезисторы можно разделить на два классаприборы с отрицательным и положительным ТКС. Приборы с положительным ТКС называют полупроводниковыми позисторами. Для них характерно резкое увеличение сопротивления ТЭ в узком диапазоне температур.

Как бьпо отмечено ео введении. тетпоэ л ехтр: че ский преобразователь должен состоять из управляющею элемента. обеспгчгвакщего преобразование энергии электрического сигнала в тепловою энергию, ш теплопровода, обеспечивающего переда^/ тепловой энергии от управляющего элемента к управляемому, п из управляемого элемента, преобразующего тепловоз энергию в электрическую энергию выходного сигнала. Поэтом}' для использования: терморезисторов в качестве тетиоэлектрических преобразователей необходимо бшо ввести в конструкцию терморезпстора спещхальный нагревательный элемент, имеющий тепловой контакт с полупрово дшковъы ТЭ. Конструктивно требованиям теплоэлектрнческого преобразователя, как базового элемента теплоэлектроникн, удовлетворяли выпускаемые промышленностью полупроводниковые терморезисторы с косвенным подогревом [в, 7]. Они состоят из ТЭ и нагревателя (обычно спирали подогрева), разделённых даэлеиряческпм материалом, через который проходит тепловой поток от нагревателя к ТЭ (рис. 1а).

Рис. 1 Конструкция теплоэлектрнческого преобразователя на основе терморезистора косвенного подогрева (а) н его структурная схема (б): 1 — преобразователь электрической энергии входного сигнала в тепловую- 2 -теплопередающий элемент- 3 — преобразователь тепловой энергии в энергию входного сигнала- 4,5 — источники питания преобразователей.

Мощность, выделяющаяся в нагревателе при протекании по нему электрическою тока, создаёт температурное поле, при изменении которого V с изменяются температура ТЭ и его электрическое сопротивление. Диэлектричесый материал разделяет ^развязывает') утфгвлякяцую цепь от управляемой.

Структурная схема терморезистора косвенного подогрева, используемого в качестве теплоз л ектрпческого преобразователя, приведена на рис. 16. Тектоэлеглрическгй преобразователь на основе терморезистора косвенного подогрева можно описать совокупностью статических и динамических характеристик. Статические характеристики устанавливают стационарною связь между параметрами управляющей и управляемой цепей. При анализе и расчете статических и джаштческих характеристик температуру окружающей среды и другие внешние факторы, влияющие на температуру ТЭ, будем считать постоянными. Рассмотрим статические характеристики теплоэлектртгческих преобразователей на основе терморезисторов косвенного подогрева [5, 8]. Температурная характеристика определяет зависимость сопротивления ТЭ от температуры. Эту зависимость хорошо аппроксимирует аналитическое выражение: где — электрическое сопротивление ТЭ;

А, у, В — константы, определяемые свойствами полупроводникового материала, из которого изготовлен ТЭ, и его конструкцийВ=Ш2К (ДЕ — энергия активацииК — постоянная Больцмана).

Поскольку }"1, в большинстве случаев при расчётах можно использовать выражение (1).

При Т = °° получим Ятэ = А = Я®-, аналитическое выражение температурной характеристики при этом.

1 $Д1Э=1пЛв+|. (2).

Урагнекпе < 2) при постоянстве козффпшгентоз ?:• п В представляют собой уравнение прямой. Температурная характеристика преобразователя (рлс. 2) строится для различных тнпог териорезлсторез с косвенным подогревом по данным измерег-дгй сопротивления ТЭ, помещенного в термостат и находящегося в тепловом равновесии с окружающей средой.

Рис. 2 Температурные характеристики теплоэлектрических преобразователей на основе терморезисторов косвенного подогрева типаТКП-50 и ТКП-300.

Для вычисления значений Я" и В результаты изменений ^ и Т представляют в виде точек, нанесенных в координатах 1п 1/Т. По наклону проведенной линии определяют значение В.

3).

Где Ян и Яп — сопротивления ТЭ при температурах Ъ и Т2.

Для интервала температур, в котором зависимость является линейной,.

Решая относительно In Rx эту систему, получаем г. In • 7t — fo Rz ¦ Г2 я" «-со—- ~.

Тх -1 2.

Из уравнения (1) следует, что сопротивление 13 с ростом температура уменьшается. Вследствие келтгкейгости уравнения (I) скорость изменения сопротивления с изменением температуры dR-ydT непостоянна и зависит от Т. с.—— Е.

-— ——г- • R-rn. = Ci-r, • d~ Г2 '.

Температурным коэФФшгиентС’Ы с сиротив лекпл ТЭ преобразователя называют величину' = -В/Р, характершующую чувствительность сопротивления ТЭ к изменению температуры.

Статистическая вольтамперная характеристика определяет зависимость тока, протекающего через ТЭ. От приложенного к нему направления в условиях теплового равновесия между ТЭ и внешней средой. Вид вольтамперной характеристик?! ТЭ определяется его электрическим сопротивлением, параметрами полупроводникового материала, средой, в которую помещен ТЭ, ее температурой и степенью тепловой связи с внешней средой. Вольтамперная характеристика прибора зависит также от значения тока, протекающего в цепи подогрева (рис. 3). При прохождении тока через ТЭ в нем выделяется тепло (I2 R") и он разогревается. Поскольку электрическое сопротивление R" зависит от температуры, мощность выделяемая в ТЭ при значении мощности, рассеиваемой в нагревателе, Рп = О, также зависит от температуры р. r2 n г2 п. (4).

Мощность Rn в окружающую среду. В условиях стационарного режима.

5) где RT — коэффициент теплообмена, а Т — температура ТЭ с учетом его нагрева рассеиваемой мощностью R". Значение измеренных тока и напряжения. соответствующие эгоГе тгмперзтуре. определяет координаты точек ляшчгской вольтамперкой Харйктеру. стшс! (рис. 3>).

Рнс.З Вольтамперные характеристики теплоэлектрического преобразователя на основе терморезнстора косвенного подогрева типа СТ1−21 (1^,= кОм, Т0= 2*3С). Статзгческая характеристика ЯТД=А1А или Е. ТЭ=Г (РП), при Ргэ в качестве параметра (рис. 4) устанавливает связь между сопротивлением ТЭ л мощностью, рассеиваемой в нагревателе. Отметим, что, несмотря на малый ТКС обмотки подогрева, ее сопротивление изменяется с изменением температуры ТЭ. Мощность Рп поэтому имеет различные значения в различных точках статической вольг-ампероной характеристики, даже если ток подогрева постоянен.

По семейству вольтамперных характеристик преобразователя, снятых при различных токах подогрева, и по зависимости Я^Щп) можно получить ОМ-амперные характеристики зависимость сопротивления ТЭ от напряжения л управляемой дели.

Превышение 8П температуры ТЭ над температурой окружающей среды, обусловленное током подогрева, зависит от конструктивных параметров прибора (сопротивления обмотки подогрева, теплоемкости рабочего тела ТЭ, условия теплопроводности между рабочим телом и обмоткой подогрева). и.

Ч ;

VacairreOTcmv G- = fil-) пссгтазот из зависимости R"=f (I-} Tj=consi n.

4 A * Л «* температуркой характеристики Rr.(T) (pire. 4,6). При известной зависимости телшэрагурьг ТЭ от тока б цели подогрева действия тока можно заменить эквпваленхкым ему изменением температуры ТЭ.

В-тэг.

J /.

У V 'чэ тТ «» к 1 1 X J.

VA.rx/r-1 «Л.

О ' 29 W 60 50 Р, мВт Д2.

Рис. 4 Подогревные характеристики теплоэлектрическнх преобразователей на терморезисторах с косвенным подогревом типа СТ1 и СТЗ-21 (а) и определение параметров по подогревной характеристике (б).

КозсЬФтшент тепловой связи преобразователя. Цри рассмотрение статических к динамических свойств цепей с преобразователями и переходных процессов в этих цепях принимается, что температурное поле ТЭ прибора в каждый момент времени характеризуется температурой Т, которая определяется уравнением.

11Э.

Из-за конструктивных особенностей преобразователей — наличие изолирующей оболочки между ТЭ и обмоткой подотрева — температура внешней (тешюотдающей) поверхности отличается от температуры ТЭ на значение перепада температуры в защитном слое. Натичие перепада необходимо учитывать при рассмотрении нестационарных процессов в цепях с преоор^ов-атс.тъи.

В стздтгокарнсм состоянии прпбор находится в состоящей тер.модгшаз.пгческого равновесия (рассеиваемая мощность Ра равна мощности, подводимой Р). Подводимая. мощность состоит из двух частей: мощности РТ5. подводгшой к ТЭ из управляемой цепи, и мощности Р-, выделяющейся в обмотке нагревателя. Некоторая доля (I — у) Рп теряется в частях нагреватехт, которые не имеют прямого контакта с ТЭV — коэффициент тепловой связи (коэффициент полезного действия) — V определяют из уравнения баланса мощностей в стационарном состоянии Р = уР3 + Ргз= Р&bdquoтю двум парам величин: Р&bdquo-, Р-^ и Р^. соответствующим одному и тому же значению Р&bdquo-, так как в стационарном состоянии Ра=Р:з-Рп-, Ра=Ртэ2″^Рл2 или Рн^РвРРпгК'Рвготсюда.

Из уравнения (6) с учетом малых изменений Ргз и Рп р.

ТЭ.

7).

Выражение (7) используют для определения коэффициента полезного действия (КПД) нагревателя, он равен отношению малых изменений мощностей ТЭ и нагревателя, выбранных так, чтобы сопротивление ТЭ оставалось неизменным.

Для Рп2=0, Ртэ1=0 из (10) у=Р1Э/Рп, т. е. у — отношение мощностей при прямом и косвенном обогревах, соответствующих одному и тому же сопротивлению ТЭ, его определяют графически (рис. 1.5) из характеристик РП=^(Т) и Р"=ДТ) как отношение мощностей, соответствующих одной температуре. Данные характеристики получают из уравнения баланса мощностей в стационарном состоянии (5) для Р га=0 и Ря=0.

Ртэ Рп, *8т 29. с хГ т сс) п в.

4 /) /.

А/у л г / ' 1 .1. 1 Ш п т тгсс.

Рис. 5 Зависимость между подводимой к теплоэлектрическому преобразователю мощностью и температурой: а — для ТКП — 300 (1 — Ра"0- 2 — Ра = 0- 3 — Ря при 1а= 15 мА) — 5 — для ТКП — 50 (1 — Р==0- 2 -Ра = 0- 3 — Ря при ¡-п= 10 мА).

Из рис. 5 видно, что зависимости Ртэ и Рл от температуры практически линейны. Следовательно, V — постоянно и не зависит от условий работы прибора. Поскольку зависимость РтэРО практически линейна, можно сделать допущение о постоянстве коэффициента теплообмена Лт уравнении (3), которое запишем так:

V = V (/-Го) — е* Ра = • (гг,-^. РХЛт .(Г-Т9) кт).

Итак, мощность подо! рева по своему действию идентична изменению темпершуры окружающей среды на значение ъР*>Рт. Зависимости Р^Д7) для различных значений тока подогрева приведены на рис. 5. Из рисунка видно, что коэффициент теплообмена Ит не зависит от температуры, так как зависимости Ргэ=1(Т}Рп парашельны, а определяется как тангенс угаа наклона прямой к оси абсцисс.

Уравнение нреобрсгзоеглил ТЭ прибора. Б стаппонарном состоянии для преобразователя справедливо уравнение.

Из (в) с.

Г = То. + —~ с.

Лг {*).

Подставляя выражение (9) в формулу сопротивления и принимая V «-г = затешем Ктэ так: п — г В ^ Р^-ирВ I? .¡-¡-я—.. *хп1−1 =—— 00 *» .

ПрИ ЫаЛЫХ ЗКа. Чс1и'1?Х ТО’Ка Чср" £3 ТЭ, КОГДй &-ТЭ ** ® ^ Б форЗТ}.1с'.

— сопротивления можнопренеоречь членом тогда ангжннеское выражение зависимости В. тэ = ДР-) получаем в следующем виде: ' 3.

Г0 + и.Тгя.

Зависимость сопротивления ТЭ от токоподогрева используют для определения В и Р^. Для тепло электрического преобразователя это удобно, так как при снятии температурных характеристик путем термостатирования могут быть внесены большие погрешности из-за конструктивных особенностей прибора (наличие баллона, наполненного инертным газом, и т. п.). У.

Для определения В и используем уравнение (10), в котором неизвестные параметры В, Е^ и и определяем из экспериментальной зависимости Ятэ от Рп при условии, что два параметра взаимосвязаны. Полагая в/.

Рц=0, получаем связь между Р^ и В: Р^ =, и тогда уравнение р-ш.

— ехр

Г Л «'^я.

И) содержит два неизвестных параметра. Прологарифмировав уравнение (11) п введя обозначения 1п (Я".'К:зс) = X: Р.,= VМ = -Т-/В: К = -Т'о (уВ.). получим У = Х МХ.) + К.

Для полученного уравнения по теории ошибок имеем следующие значения параметров: 1 1 1 * 1 У —V —- V —' V '—' «У —< V*.- —' V2 эд В"1 1 Я»: Л-1 1. Г"1 ^ 1Я-. ;

VI'.

-.у-1 VI.

Л 1 л-: Л яч х где 5- число экспериментальных измерений.

Аналогично коэффициенту ТКС при исследовании уравнения сопротивления ТЭ важен коэффициент, характеризующий чувствительность относительного изменения сопротивления, обусловленного изменением рассеиваемой мощности:

1 ДЦ о =—-—.

Так как Ртэ и Ятэ зависят от температуры, можно записать.

5 Л Г^П ^.

Л^Э и. ¿-чл^;

У теплоэлектрическнх преобразователей различают два мощностных коэффициента сопротивления: о^ к &-п, которые определяются соответственно лри неизменной мощности, выделяющейся в нагревателе и в ТЭ.

Чувствительность сопротивления ТЭ к изменению мощности Рп определим в следующем виде: ±-ча.

7Э ^п.

Запишем щ так: в.

1 — л ч — лв ± '¿-у? я) ктэ ¦'о ргРп+7аУ.

Чут ствительность сопротивления к изменению мощности Ртз при Рп-0 кт Рл = cor. it аналогично будет раЕна.

Таким образом, — о вследствие чего чувствительность сопротивления ТЭ к изменению мощности, рассеиваемой в нагревателе, в о раз меньше (и<1), чем к изменению мощности, рассеиваемой в ТЭ.

Как правило, переходные процессы в цепях с теплоэлекгрическимп преобразователями описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами, которые выражаются через статические и динамические параметры ТЭ и электрической цепи. Часть динамических параметров может быть определена по данным статических вольтамперных характеристик. Основные динамические параметры следующие.

Динамическое сопротивление Яд определяется ко статической вольт-амперной характеристике как тангенс утла наклона касательной в заданной точке характеристики к оси абсцисс.

Коэффициент относительной чувствительности по мощности I определяется как отношение относительного приращения сопротивления ТЭ к вызываемому его относительному изменению мощности рассеяния: 1 = -^?.ТЭ/ЯТЭ)/{с1Р/Р). Для фиксированной • точки, а статической вольтамперной характеристики в установившемся режиме РЛ = р^ запишем.

Коэффициент I определяют по данным статической Я—Р характеристики как тангенс угла наклона касательной к оси абсциссчисленное значение коэффициента показывает значение относительного приращения можно также определить по данным craiinscxoft волы-амперной харахт epiicTin-^i: с.

ПодстаЕ.хи значения i’I и Pa=Ul в выражение для L, имеем ь =.

Приведенное выражение показывает зависимость между коэффициентом L и дпказ. ягчесьзш сопротивлением. В точке максимума на статической вольт-амперной характеристике Ыд. = О, L=lв начале координат R.= Rt3hL=0.

Объемная теплоемкость Q,=/(T) -dW.'clT однозначно определяется температурой Г прибораС, равна энергии, которую необходимо затратить, чтобы изменить температуру лрнбдра на 1°БС.

Динамический коэффициент рассеяния F^=J (T—Tc)=dPJdT определяется температурой ТЭ Г, температурой окружающей среды Тс и зависит от площади и состояния теплоотдающей поверхности. Динамический коэффициент рассеяния численно равен изменению мощности рассеяния, вызывающему изменение температуры ТЭ на 1 К, и определяется из графика Prh=f (T) (см. рис. 5) как тангенс утла наклона касательной к оси ординат. Если Ра =/{1) —линейная функция, то — Fcr = PJ (T—Tq). Обычно на практике FR и Cv термоэлектрического преобразователя полагают не зависящими от температуры.

Тепловая постоянная времени тепйоэлектрического преобразователя определяется как т = Cv / R г. Она характеризует процесс установления температуры прибора. Для теплоэлектрических преобразователей вводят две постоянные времени: — характеризующую общую инерционность прибора и т2 — характеризующую скорость установления теплового равновесия между подогревателем п ТЭ. Отношение г./г, представхтет собой дгкаг'.ишескгй параметр D: D=tlir1. При увеличении D прибор быстрее реагирует ка изменение мощности в нагревателе.

Коэффициент К характеризует тепловую связь между ТЭ и нагревателем, он равен соотношению мощностей необходимых ддя разогрева ТЭ до температуры +50° С при прямом Рп? и косвенном Рк нагреве: К—Р, р!? к.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработаны теоретические основы создания электронных приборов и устройств с тепловой связью с использованием микроминиатюрных транзисторных структур, выполняемых методоми интегральной технологии.

2. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований в области конструирования и применения полупроводниковых терморезисторов с косвенным подогревом и транзисторных преобразователей температуры разработаны новые виды термоэлектрических преобразователей — теплотроны, и изучены их функциональные характеристики.

3. Изучены процессы выделения тепла в полупроводниковых структурах с р-ппереходами при прохождении через них токов, порядка единиц и долей миллиампера. Установлено, что в объёме полупроводника, по которому протекает ток, кроме источника тепла, создаваемого внешним напряжением смещения, появляются дополнительные источники тепла, локализованные в местах генерации и рекомбинации носителей заряда. Определены математические выражения для этих источников. Показано, что разность температур за счёт этого своеобразного переноса тепла может достигать 10 °C и что для расчёта выделяемой тепловой мощности в полупроводниках с р-ппереходами исходных данных при составлении и решении уравнения теплопроводимости уже недостаточно. Нужно, для обеспечения необходимой точности, учитывать особенности выделения тепла при протекании тока через р-ппереходы. По результатам вычислений определены структура (транзисторная) и схемотехническое решение (схема включения с общей базой) преобразователя электрической мощности в тепловую, пригодного для работы в микросхемах.

4. Разработана модель замещения электрических связей в микросхемах на тепловые связи с учётом особенностей выделения тепла при протеканий тока через р-ппереходы и определены требования к режимам преобразования электрической мощности в тепловую и тепловой мощности в электрическую в микросхемах.

5. Исследованы косвенные методы измерения температуры в транзисторах. Установлено, что все известные методы усредняют результат измерения по объёму генерации используемого в них термочувствительного параметра и по этой причине малоэффективны при измерении температуры локализованных источников тепла в транзисторах из-за возможных значительных погрешностей. На основе проведенных исследований разработан более эффективный метод измерения температуры в транзисторах, который применён для экспериментального обоснования оптимальности выбора транзисторной структуры в качестве преобразователя электрической мощности в тепловую и режима её работы, исключающего влияние дополнительных источников на температуру основного источника тепла. Метод основан на использовании — Л 2) = (^вх2 — и^От^п — (Уюй — ^?вх)т=т2 в качестве термочувствительного параметра транзистора, включённого по схеме с общей базой. Показано, что для двух значений входных токов разность.

А] - Д2) = (Г2 — Т/) к/я 1п1Е2/1е1 прямо пропорциональна изменению температуры в диапазоне от минус 50 °C до плюс 100 °C и не зависит от свойств полупроводника и технологии изготовления транзистора.

6. Разработан на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований транзисторных преобразователей температуры интегральный вариант преобразователя тепловой мощности в электрическую, представляющий собой транзистор, включённый по схеме с общей базой с прямосмещёнными р-ппереходами и использующий в качестве термочувствительного параметра — «плавающий потенциал» на коллекторе, при условии подключения эмиттера к генератору постоянного тока. Показано, что данный преобразователь обладает линейностью характеристики преобразования в диапазоне температур от минус 50 °C до плюс 100 °C не хуже +1%, чувствительностью к температуре не хуже +0,1 °С и пригоден для работы в составе теплотрона.

7. Создана схема интегрального теплоэлектрического преобразователя-теплотрона, на основе разработанных схемотехнических решений для транзисторных преобразователей электрической мощности в тепловую и тепловой в электрическую.

8. Установлена, в результате анализа серийно выпускаемых отечественной промышленностью полупроводниковых приборов и микросхем, номенклатура полупроводниковых структур с ^-«-переходами, пригодных для практической реализации схемы теплотрона, а именно: транзистор КТ118, микросхемы серий 159,.

162, 198, 119 и др. Показано, что разработанные физические основы и схемотехнические решения теплотрона легко реализуются с помощью известных методов интегральной технологии.

9. Разработаны на основе схемотехнических решений теплотрона твёрдотельные усилители с электрической развязкой входной и выходной цепей, микроминиатюрные генераторы с прямоугольной и пилообразной формой импульсов в диапазоне частот от десятков до долей герц и прецизионные источники опорного напряжения, выполненных широко используемыми методами построения полупроводниковых электронных устройств.

10. На основе преобразователя тепловой мощности в электрическую (выходного элемента интегрального варианта теплотрона), использующего в качестве чувствительного параметра «плавающий потенциал» на коллекторном переходе, разработаны схемотехнические решения дискретных датчиков температуры, давления, освещённости на практические диапазоны измерений, с линейными характеристиками преобразования.

11. Разработаны теоретические основы выполнения многофункционального электронного прибора в твёрдотельном исполнении для контроля температуры, давления, освещённости с использованием интегральных транзисторных структур с тепловой связью. Показана возможность практической реализации прибора известными методами интегральной технологии.

12. Определены некоторые области применения элементов и устройств интегральной теплоэлектроники, связанные с разработкой и внедрением электронных систем сбора данных и систем диагностирования объектов. Использование разработанных датчиков физических величин, усилителей с электрической развязкой, источников опорного напряжения в системах диагностического контроля качества выпускаемой продукции позволило получить в отрасли суммарный экономический эффект, согласно Указанию МЭП №У — 344, в размере 5,24 млн руб. (в ценах 1990 года.).

Заключение

.

Если в раздела." 1.4 и 1.6 данной работы рассмотрены возможные области применения теллоэлектрических преобразователей, которые базируются на замене электрических сопротивлений и емкостей на тепловые сопротивления и емкости, что позволяет строить малогабаритные электронные устройства на очень низкие рабочие частоты (от десятков до долей герпа) — это фильтры низких частот, генераторные устройства с длительностью выходного сигнала до нескольких десятков секунд, то в главе 5 данной работы рассмотрены наиболее важные области применения теллоэлектрических преобразователей, связанные с такими их характеристиками, как линейность уравнения преобразования и взаимозаменяемость. Применение преобразователей, усилителей и датчиков на основе элементов теплотрона в электронных многоканальных системах сбора данных позволяет обеспечить не только идентичность каналов, но и всей системы в делом. А это означает, что система сбора данных кроме измерительных функций может выполнять и функции диагностирования объектов. Что же касается разработанного автором шогофункционального датчика то, как следует из содержания раздела 5.3, он изготовлен в соответствии с современными требованиями к новейшим разработкам в области датчиков и может с успехом применяться не только в негодном хозяйстве, но и в такой отрасли промышленности, как ВВТ.