Mikroelektronische und optische Bauelemente Prof. Hagemann Herstellung, Funktion und Anwendungen von integrierten Si-Spreading-Resistance Sensoren Timo Baumeister Matr.-Nr. 235792 Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Physikalische Grundlagen Kenndaten Herstellung Bauformen Inhalt Einleitung Schematischer Aufbau Physikalische Grundlagen Kenndaten Herstellung Bauformen Anwendungsgebiete Zusammenfassung Quellen Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
PTC-Temperatursensor („positive temperature coefficient“) Einleitung PTC-Temperatursensor („positive temperature coefficient“) Silizium-Sensor Prinzip des Ausbreitungswiderstands („spreading resistance“) Ursprung aus der „one-point-method“ zur Bestimmung des spezifischen Widerstands von Halbleitern Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
kegelförmige Stromverteilung: Einleitung kegelförmige Stromverteilung: wesentlich unempfindlicher gegenüber Toleranzen im Kristallgitter weniger Einfluss auf den Sensorwiderstand d Durchmesser Bohrung D Dicke des Chip d << D Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Schematischer Aufbau Metallisierung SiO2 (Isolation) n+ dotiert SiO2 (Isolation) Feldlinie Äquipotentialfläche spez. Widerstand ρ n dotiertes Si Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Ersatzschaltbild („spreading resistance“) Schematischer Aufbau Ersatzschaltbild („spreading resistance“) Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Widerstand durch Unsymmetrie nicht unabhängig von der Stromrichtung Schematischer Aufbau Widerstand durch Unsymmetrie nicht unabhängig von der Stromrichtung „Doppel“-Sensorausführung (Reihenschaltung mit entgegensetzten Polaritäten) Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Schematischer Aufbau Metallisierung Oxidschicht Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Physikalische Grundlagen Widerstand ρ = spezifischer Widerstand d = Durchmesser der Bohrung spezifischer Widerstand e = Elementarladung µ = Beweglichkeit N = Dotierungskonzentration Beweglichkeit µ Ladungsträger in Si = f(θ) Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Physikalische Grundlagen Zusammenhang: Dotierungselektronen für Ladungstransport verantwortlich (1014 < N < 1015) steigende Temperatur sinkende Elektronen-Beweglichkeit steigender Widerstand Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Physikalische Grundlagen Abhängigkeit des spezifischen Widerstands ρ von der Temperatur θ für P- und N-dotiertes Silizium Begrenzung: Thermisch zusätzlich erzeugte Ladungsträger kompensieren Bewegungsabnahme der Dotierungselektronen Widerstand sinkt Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Physikalische Grundlagen Mathematischer Zusammenhang: = Widerstand bei der Temperatur = Widerstand bei α,β Temperaturkenngrössen: α = 0,773*10-2K-1 β = 1,83*10-5K-2 Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Kenndaten Widerstand R25 = 1000 Ω Dauerstrom ID = 1 mA Spitzenstrom (θ = 25°C, ID ≤ 1mA) R25 = 1000 Ω Dauerstrom ID = 1 mA Spitzenstrom IM = 10 mA Temperaturkoeffizient (θ = 25°C ) αR = 0,77%K-1 Messtemperaturbereich -55°C … +150°C Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Oberfläche geschützt durch Herstellung Planartechnologie wg. sehr kleiner Toleranzen: NTD-Silizium („Neutron-Transmutation Doping“, Neutronen-Bestrahlung in Nuklearreaktor) Oberfläche geschützt durch Phosphorglasschicht Si-Nitrid-Versiegelung Anschlusskontakte Gold-metallisiert Gold-Bonding Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
KTY81: Bauformen (Philips) Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
KTY82: Bauformen (Philips) Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
KTY83/84: KTY85: Bauformen (Philips) Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Automobilindustrie Haustechnik Computer Industrie Klimaanlagen Anwendungsgebiete Automobilindustrie Klimaanlagen Öltemperatur Haustechnik Wassertemperatur in Spül- und Waschmaschinen Kühlschränke, Tiefkühltruhen Computer Tintenstrahldrucker: Druckkopftemperatur Lüftersteuerung Netzteil Industrie Verfahrenstechnik u.v.m Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
Preiswerte, robuste, schnelle Thermosensoren auf Si-Basis Zusammenfassung Preiswerte, robuste, schnelle Thermosensoren auf Si-Basis „Spreading resistance (Stromfluss: Punkt zu Fläche) -50°C … +150°C PTC Verhalten (steigt die Temperatur, steigt der Widerstand) Stromrichtungsunabhängig durch „Doppel“-Sensorausführung Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen
www.infineon.com Silicon Temperature Sensors (Juli 2000) Quellen Valvo Technische Informationen für die Industrie Silizium-Temperatur Sensorelemente (Oktober 1980) www.philips.com General Temperature Sensors Discrete Semiconductors (Dezember 1996) www.infineon.com Silicon Temperature Sensors (Juli 2000) Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen