2.1.2.Эффекттермоэдсвметаллахиполупроводниках

Еслиприниматьвовниманиетолькотермическуюдиффузиюэлек-тронов,товметаллахэлектроныдолжнывсегданакапливатьсявозлехолодногоспаяизнаккоэффициентатермоЭДСдолженбытьотрица-тельным.Однакоцелыйрядметалловимеетположительныйкоэффи-циенттермоЭДС,болеетого,егознакдлянекоторыхметалловнепо-стоянныйвширокоминтервалетемператур.

ЭтосвязаносособенностямиизмененияуровняФермиирассеяни-емэлектроноввметаллах.УровеньФермиугорячегоспаяоказываетсяниже,чемухолодного(см.(2.1.12)),идляеговыравниваниявозникаетпотокэлектронов,направленныйотхолодногоспаякгорячему.Крометого,повышеннаятемпературагорячегоспаяможетвызватьболеесильноерассеяниеэлектронов,чтоприводиткуменьшениюлокально-гозначениякоэффициентадиффузиипосравнениюсобластьюхолод-ногоспая.

ВкладвтермоЭДСуказанныхпроцессовзависитоттемпературы,концентрацииэлектронов,особенностейзоннойструктурыметалла,

чтовитогевлияетиназнаккоэффициентатермоЭДС.Втабл.2.1при-веденытермоЭДСрядаметалловотносительноплатины,причемтем-пературагорячегоспая100C,ахолодного–0C[2.4].

Табл и ц а2.1

ТермоЭДСнекоторыхметалловотносительноплатины

Материал	ТермоЭДС,мкВ К	Материал	ТермоЭДС,мкВ К
Висмут	–7,34	Углерод	0,70
Никель	–1,48	Медь	0,76
Палладий	–0,57	Золото	0,78
Платина	0	Вольфрам	1,12
Алюминий	0,42	Молибден	1,45
Свинец	0,44	Железо	1,89
Индий	0,69	Сурьма	4,89

Разнообразныетехническиетребования,предъявляемыектермо-парам(преждевсего–диапазонрабочихтемператур)привеликсозда-

ниюнесколькихтиповтермопар,получившихширокоераспростране-ниевтехнике.

Втабл.2.2указанысоставыпроводников,входящихвтермопары,

ипредельныерабочиетемпературы,докоторыхвозможноихисполь-зование[2.1].

Наиболееупотребительныетермопары

Табл и ц а2.2

Материал	Предельнаярабочаятемпература,°C	,мкВ К
1.Медь–константан 100 %Cu;60%Cu+40 %Ni	400	43
2.Хромель–копель 10 %Cr+90 %Ni;56 %Cu+44 %Ni	800	70
3.Хромель–алюмель 10 %Cr+90 %Ni;2 %Al+1 %Cr+97%Ni	1200	40
4.Платина–платинородий100 %Pt;90 %Pt+10 %Rh	1600	8

Втермопарахметалл–полупроводниккоэффициенттермоЭДСпримернонадвапорядкавыше,чемуметаллических.Поэтойпричинетермоэлектрическиехарактеристикиполупроводниковобыкновенноприводят,неуказываяметалл,которыйслужилвторойветвьютермо-пары.

Вмикросистемнойтехникевтермическихсенсорахособоеполо-жениезанимаютдвавидакремния:монокристаллическийиполикри-сталлический.Нарис.2.2показанатемпературнаязависимостькоэф-фициентатермоЭДСдлякремнияp-типасразнымуровнемлегирования[2.5и2.6].ПовышениестепенилегированияприводиткуменьшениюэффектатермоЭДС,посколькупосвоимсвойствамполу-проводникиначинаютприближатьсякметаллам.Возрастаниекоэф-фициентатермоЭДСвобластинизкихтемператур,T100К ,иллюст-

рируетдействиеэффектафононногоувлечения.

Дляпрактическихцелейудобнопредставлятькоэффициенттермо-ЭДСкремнияввидезависимостинеотконцентрациипримесныхато-мовимеханизмоврассеяния,аотудельного сопротивления.

10

КоэффициенттермоЭДС,мкВ/К

2,410¹⁶/см³

5

1,010¹⁸/см³

1,510¹⁹/см³

0

0 100 200 300

Температура,К

Рис.2.2.КоэффициенттермоЭДСРSi

дляразличныхуровнейлегирования

Наосновеобобщенияэкспериментальныхданныхпредложенаап-проксимациякоэффициентатермоЭДСприкомнатнойтемпературефункцийвида[2.5]:

^mkln

e ₀

, (2.1.17)

где_0510^6Oмм;

m2,5.

Уровнилегированиякремния,обычноприменяемыевтехнологииинтегральныхсхем,приводяткзначениямкоэффициентатермоЭДС

 0,3...0,6мВ/К.Нарис.2.3приведеныэкспериментальныеданные

длякремнияиихаппроксимацияпоформуле(2.1.17)[2.7].

ТемпературнаязависимостькоэффициентатермоЭДСполикри-сталлическогокремнияприведенанарис.2.4[2.8].Абсолютнаявели-

чинакоэффициентатермоЭДСпритемпературе300С

тервале200...500мкВ/К.

лежитвин-

Термопаракремний–алюминийоказаласьидеальносовместимойстехнологиейинтегральныхсхемимикросистемихорошоподходитдляизготовленияразличныхсенсоровтермическогосигнала.Нарис.2.5показанфрагментбатареитермопар,используемойвсенсореИК-излучения[2.7].КоэффициенттермоЭДС,определяемыйдлятаких

КоэффициенттермоЭДС,мкВ/К

2000

2

1

1500

1000

500

0

0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1

Удельноесопротивление,Омм

Рис.2.3.ЗависимостькоэффициентатермоЭДСотудельногосопротивлениякремния(1)иаппроксимация(2)поформуле(2.1.17)

α,мкВ/К

550

500

450

400

350

300

250

200

150

PIPII

BIBII

50 100 150 200 250 300 350 400 Т,К

Рис.2.4.АбсолютнаявеличинакоэффициентатермоЭДСдляпо-ликристаллическогокремния,легированногобором(BI,BII)

ифосфором(PI)(PII):

сплошныелинии–расчет[2.8]

интегральныхтермопар,хорошосогласуетсяповеличинессоответст-вующимипостепенилегированиязначениямидляобъемныхобразцов,которыеприменяютсявфизическомэксперименте.

ΔT

Эпитаксиальный

n-Si

SiO

p-Si Al

Рис.2.5.Фрагмент термобатареиИК-сенсора[2.7]

Новыевозможности,благодаряприменениюдиэлектрическойизо-ляции,открылисьвсвязисприменениемтермопарполикремний–алюминий,поликремний–золото.Слоиполикремниявтакихтермопа-рахобычноимеюттолщину0,4мкмиповерхностноесопротивлениеот250до2500Ом/квадрат.

Желаниеповыситьчувствительностьтермическихсенсоровприво-

диткприменениюиных,чемкремний,материаловдляпостроениятермопар,например,висмут–сурьма,висмут–теллур.Приэтом,одна-ко,проблемасовместимостипроцессовсозданиятакихтермопарсостандартнойкремниевойтехнологиейинтегральныхсхемоказываетсявесьмасерьезной,чтоприводиткудорожаниюизготавливаемыхком-понентовмикросистемнойтехники.