微型硅半导体低温温度计的特性与制作工艺

　　1　引言

　　半导体二极管的电压-温度关系特性早在半导体刚发明时就被人们认识到了,但是,利用半导体的这种性质来测量温度则是较晚的事了。而半导体低温温度计就是利用半导体在稳定的正向电流条件下,正向电压随温度的变化而变化的原理制成的。而这种电压-温度关系在不同的温度范围内具有不同的关系特性。当T<40K时,由半导体能带理论和P-N结模型可以推导出[1]:

　　Vf加在半导体上的电压;Vg硅半导体在绝对零度时的能带能隙电压;M(I) -Vf-T曲线的斜率;T绝对温度。

　　严格来说,M(I)与硅二极管上通过的电流、环境温度有关,而Unsworth[2]通过试验证实,M(I)与T的关系微弱,而且当电流较大时,二极管上的电压降几乎与电流无关。也就是说,此时电压与温度具有良好的线性关系,这给信号采集及直观测量带来了方便,也容易保证测量精度。

　　当T<40K时,由理论和试验皆可证实,硅二极管的电压-温度特性不再表现为线性关系,而且其曲线斜率要比由普通半导体理论推出的关系曲线斜率高得多,其关系可参考文献[3]。因此,在这一区域,利用半导体测量温度就要麻烦得多。

　　2　微型硅半导体低温温度计的特性

　　低温工程中常用的温度计有三类:电阻温度计;半导体温度计和热电偶温度计。表Ⅰ列出了它们的一些特性[4]～[7]。

　　我们知道,砷化镓二极管温度计是低温研究中最通用的测温元件,也是最早的市售产品,但它价格昂贵,限制了它在工业上的广泛应用,而且寿命亦较短,在正向电流较小时复现性较差;而两种电阻温度计的适用测温范围没有覆盖整个低温领域,如果在整个低温范围完成一次测温,必须同时应用两种电阻温度计;而热电偶的灵敏度在几种常用测温元件中最低。尤其在低温温度下,其灵敏度极低,比如在饱和液氮温度(77K)下,其灵敏度只有16μV/K,如果要使测量温度精确到±0.01K,则二次仪表的分辨率至少应为0.1μV。众所周知,二次仪表分辨率越高,运算电路越复杂,价格越贵,若把整个测温系统视作一个温度计,就不能只考虑传感器的价格了;硅半导体温度计则可以弥补以上所提到的几种温度计的缺点,而且它具有良好的电压-温度线性关系,分度时用较少的分度点可以得到较高的测量精度,而且易于作成直接显示温度值的测温系统。另外,对磁场敏感度小,亦可提高它的测温精度。

　　热响应时间也是温度计性能优劣的标志。对硅半导体低温温度计来说,选择合适的材料及制作工艺,可大大缩短它的热响应时间,在低温试验中研究不稳态导热时可以获得很高的测试精度,而在大型空分设备中,影响许多换热器效率的重要因素是工质流动的不均匀性,利用这种反应快速的低温温度计可以检测到这种不均匀性[1],指导我们在设计换热器时采取相应的措施,提高换热器的性能。另外,在超导试验中需要用快速反应的低温温度计监测系统的运行情况。