1 Ãberblick über die Sensorik
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78 3.3 Resistive Temperatursensoren 3.3.3 Halbleiterwiderstände 79<br />
gegebenen Grenzen gehalten werden kann.<br />
Eine besondere Bedeutung bei der Phospordotierung in Silizium hat <strong>die</strong> Technologie der<br />
Neutronen -Transmutation (Band 2, Abschnitt 8.2.5) gewonnen. In Bild 3.3.3-1 ist <strong>die</strong><br />
Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerdichte n , des spezifischen Widerstandes<br />
sp und des Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes dargestellt.<br />
Der Aufbau eines Silizium-Temperatursensorbauelements ist relativ einfach: Es<br />
braucht nur ein homogener Siliziumkristall mit zwei Außenanschlüssen versehen zu<br />
werden. Im Prinzip könnte einfach ein Siliziumquader auf gegenüberliegenden Stirnflächen<br />
kontaktiert werden (Bild 3.3.3-2a). In <strong>die</strong>sem Fall würden aber <strong>die</strong> schlecht reproduzierbaren<br />
geometrischen Abmessungen des Quaders <strong>die</strong> Streuung des Sensorwiderstandes<br />
beeinflussen. Aus <strong>die</strong>sem Grund geht man über auf einen spreading<br />
resistance-(Ausbreitungswiderstand)-Aufbau, bei dem man <strong>die</strong> Vorteile der in der<br />
Halbleitertechnik ohnehin standardmäßig angewendeten Planartechnik (Band 2, Abschnitt<br />
8.2) nutzen kann: In <strong>die</strong>sem Fall wird der Sensorwiderstand überwiegend durch<br />
eine photolithographisch erzeugte und in den Abmessungen daher sehr gut reproduzierbare<br />
Kontaktöffnung in einem oxidbedeckten Halbleiterkristall bestimmt (Bild 3.3.3-2b<br />
und d).<br />
In der spreading-resistance-Ausführung wird der Widerstand vor allem bestimmt durch<br />
den Durchmesser d der Kontaktöffnung (Bild 3.3.3-2b und d). Die Feldstärkeverteilung<br />
ist dann wie beim Punktkontakt (Band 2, Abschnitt 9.3.3) radialsymmetrisch und<br />
hat <strong>die</strong> Form<br />
Die Streuung der Kristalldicke t geht also nicht ein. Praktisch realisierte Werte sind z.B.<br />
[3.21]: sp (25 o C) = 6,5 cm, d = 20 m, t = 250 m, so daß sich bei Raumtemperatur<br />
ein Sensorwiderstand von 1 k ergibt.<br />
Eine unsymmetrische Ausführung wie in Bild 3.3.3-2b führt bei höheren Temperaturen<br />
zu einer polungsabhängigen Kennlinie (Bild 3.3.2-c), da durch Eigenleitung erzeugte<br />
Löcher im Kristall nur schwer in den hochdotierten Punktkontakt (mit sehr geringer<br />
Löcherdichte) abfließen können [3.23]. Um <strong>die</strong>sen Effekt zu vermeiden (dann müßte<br />
einer der Sensoranschlüsse besonders gekennzeichnet werden), werden häufig symmetrische<br />
Ausführungen wie in Bild 3.3.3-2d mit einem Sensorwiderstand von 2k bevorzugt.<br />
Bild 3.3.3-3 gibt <strong>die</strong> Temperaturabhängigkeit des TK R s eines spreading-resistance-Sensors<br />
an, weitere Eigenschaften des Sensors können dem Datenblatt (Bild<br />
3.3.3-4) entnommen werden.<br />
Bild 3.3.3-3<br />
Gemessener Temperaturkoeffizient eines spreading-resistance-Sensors in Abhängigkeit<br />
von der Temperatur (nach [3.21])<br />
Die Integration der Feldstärke E über den Radius R (näherungsweise werden <strong>die</strong> Äquipotentialflächen<br />
im gesamten Kristall als kugelförmig angenommen, im Vergleich zur<br />
realistischen Form der Äquipotentialflächen in Bild 3.3.3-2b führt das nur zu einem relativ<br />
kleinen Fehler) ergibt mit der Kristalldicke t <strong>die</strong> Strom-Spannungsbeziehung (U<br />
ist der Spannungsabfall über dem Sensor):<br />
Bei einem Elektronenfluß vom spreading-resistance-Kontakt zur Sensorrückseite nach<br />
Bild 3.3.3-2c kann der Einfluß der Eigenleitung vermindert werden, <strong>die</strong>ser Effekt wird<br />
zur Herstellung von Hochtemperatur-Siliziumsensoren ausgenutzt (Bild 3.3.3-5).
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