Mikroelektronische und optische Bauelemente

Präsentation zum Thema: "Mikroelektronische und optische Bauelemente"—  Präsentation transkript:

1 Mikroelektronische und optische Bauelemente
Prof. Hagemann Herstellung, Funktion und Anwendungen von integrierten Si-Spreading-Resistance Sensoren Timo Baumeister Matr.-Nr Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen

2 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

3 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

4 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

5 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

6 Ersatzschaltbild („spreading resistance“)
Schematischer Aufbau Ersatzschaltbild („spreading resistance“) Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen

7 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

8 Schematischer Aufbau Metallisierung Oxidschicht
Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 KTY81: Bauformen (Philips)
Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen

16 KTY82: Bauformen (Philips)
Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen

17 KTY83/84: KTY85: Bauformen (Philips)
Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen

18 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

19 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

20 www.infineon.com Silicon Temperature Sensors (Juli 2000)
Quellen Valvo Technische Informationen für die Industrie Silizium-Temperatur Sensorelemente (Oktober 1980) General Temperature Sensors Discrete Semiconductors (Dezember 1996) Silicon Temperature Sensors (Juli 2000) Timo Baumeister SS 2005 Mikroelektronische und optische Bauelemente FH Aachen