УДК 681.586,36.621.3.049.76
2-СЕНСОРЫ — ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
В. Д. Зотов, П. В. Миронова
Предложено новое направление развития сенсорики — полупроводниковые /-сенсоры. Определены области применения представленных элементов.
Ключевые слова: микроэлектроника, рынок, 1-сенсоры.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы рынок полупроводниковой микроэлектроники испытывает непрерывный рост, связанный в первую очередь, с ростом спроса на потребительскую технику (бытовую, компьютерную и т. п.). По оценкам исследовательской компании Gartner основным фактором роста потребления полупроводниковых комплектующих в мире было увеличение производства смартфонов и планшетных компьютеров. Основными потребителями полупроводниковой продукции стали компании-производители современных средств связи.
До недавнего времени развитие полупроводниковой отрасли шло по пути миниатюризации элементов, а не в сфере инновационных разработок. Как показало время, подобный подход ведет к усложнению и удорожанию производства, невозможности дальнейшего уменьшения размеров ввиду конечности геометрических параметров кристалла.
Единственно верным путем развития полупроводниковой отрасли является внедрение и использование инновационных разработок. Лишь использование новых физических принципов способно совершить очередной прорыв в отрасли.
Для большинства производителей электроники настало время прекратить погоню за все меньшими нормами проектирования, воспользовавшись подходом, который получил название More-than-Moore ("больше, чем Мур"). Международный комитет International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) разработал план, в соответствии с которым ряд медицинских, транспортных приложений и систем управления электропитанием будут совершенствоваться в соответствии с принципом More-than-Moore, а не за счет дальнейшей миниатюризации полупроводников.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ Z-СЕНСОРОВ
Лабораторией сенсоров и сенсорных систем Института проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН была разработана технология производства полупроводниковых структур с уникальными физическими свойствами [1—3].
Физическое явление, обнаруженное в структурах, именуется управляемой скачковой проводимостью. Оно получило признание мировой научной общественности и известно также как Z-эффект. Данное явление позволяет получить широкую гамму элементов, обладающих
высокой чувствительностью к внешним воздействиям. Эти элементы, в свою очередь, получили известность как Z-сенсоры.
Схема включения элемента в схему проста и универсальна для всех типов Z-сенсоров. Для работы сенсора достаточно одного нагрузочного сопротивления (рис. 1), тогда как широко используемые в настоящее время полупроводниковые элементы требуют громоздкой и сложной в настройке схемы, к тому же выходной сигнал таких схем требует дополнительного усиления выходного сигнала [3].
Так, например, для эффективной работы NTC-термисто-ра, широко используемого во многих контроллерах автомобильной, бытовой и др. техники, он должен быть встроен в сбалансированный мост Уитстона, а для усиления его выходного
Рис. 1. Схема включения Z-термистора для получения управляющего сигнала
сигнала требуется включение в схему усилителя и триггера Шмидта. Наличие такого числа дополнительных элементов повышает стоимость схемы и добавляет погрешность при измерении.
В отличие от №ТС-термис-тора работа Z-термистора не требует включения сложных дополнительных схем. Явление управляемой скачковой проводимости обеспечивает предварительную обработку неэлектрического входного воздействия в объеме кристалла на молекулярном уровне, при этом выходной сигнал управления не требует дополнительного усиления. Схема включения Z-термистора требует лишь одного нагрузочного сопротивления, служащего для ограничения тока через структуру и съема выходного сигнала (см. рис. 1).
Сравнительная таблица возможностей Z-термистора и №ТС-термистора без применения дополнительных электронных схем усиления и обработки сигнала
наглядно демонстрирует преимущества использования элементов, построенных на Z-эффекте.
УПРАВЛЯЕМАЯ СКАЧКОВАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
Уникальность свойств Z-сен-соров обусловлена открытым в них физическим явлением управляемой скачковой проводимости.
На рис. 2 показана вольтам-перная характеристика любого из Z-сенсоров. Схема включения Z-сенсоров универсальна для всех типов Z-элементов. Включенное последовательно к струк-
туре сопротивление служит для ограничения тока и снятия выходного сигнала.
Внутренняя структура Z-эле-ментов такова, что обработка входного неэлектрического воздействия происходит на молекулярном уровне в объеме полупроводника, при этом выходной электрический сигнал не требует дополнительной обработки и усиления. Способность структур реагировать на изменение конкретного воздействия достигается в результате технологического процесса и зависит от глубины диффузии и концентрации диффузанта.
Вольтамперная характеристика структур имеет так называемый Ь-образный вид (см. рис. 2). Участок 0— 1 характеристики отражает поведение структуры в начальный момент времени, т. е. до перехода структуры в состояние со шнуром тока под воздействием внешнего контролируемого воздействия (температура, УФ излучение и т. д.). При достижении питающего напряжения значения, характеризуемого точкой 1, достаточного для выброса электронов из запрещенной зоны в зону проводимости, или при изменении внешних условий (контролируемого воздействия) происходит переход 1—2 структуры в устойчи-
Отличительные характеристики 2-термисторов
Z-тер-мистор ОТС-тер-мистор
Возможность получения частотно-импульсного выходного сигнала
Возможность работы в режиме теплового реле
Возможность использования без балансировочных схем
Независимость работы элемента от длины провода при монтаже для дистанционных измерений Нет
Возможность использования одного и того же элемента в различных режимах (частотно-импульсном, пороговом) Да
Возможность монтажа каскада элементов в одной схеме
Помехозащищенность
Быстродействие < 1 с Нет данных
Рассеиваемая мощность <100 Вт Да
Диапазон температур, °С -40...+120 -50...+150
Стабильность во времени Да Да
Датчики и Системы • № 4.2014 - 43
вое состояние, характеризуемое участком 2—3. Сопротивление структуры резко падает и ток, протекающий через структуру, резко возрастает (величина тока в режиме шнура достигает нескольких миллиампер). Переход структуры из одного устойчивого состояния в другое не превышает 1...2 мкс [4].
На сегодняшний день уже получены модификации структур, чувствительные к таким неэлектрическим воздействиям, как световое излучение, УФ излучение, магнитное поле, механическое сжатие, сила и давление, тактильное воздействие, температурное воздействие. В дальнейшем возможно получение сенсоров, чувствительных и к другим видам воздействий.
ПРЕИМУЩЕСТВА г-СЕНСОРОВ
При внедрении в различные отрасли производства технических средств с использованием Z-сенсоров выявились такие их неоспоримые преимущества как:
— высокая помехозащищенность (помехоустойчивость);
— высокая надежность;
— простота эксплуатации;
— оперативный монтаж и простота замены;
— однозначная зависимость выходной величины от входной;
— стабильность характеристик во времени;
— высокая чувствительность;
— отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;
— возможность работы при различных условиях эксплуатации, в том числе в недоступных и труднодоступных местах, а также дистанционно удаленных;
— возможность разных видов корпусирования;
— способность использования одного и того же элемента в различных режимах работы;
— способность реализовать различные режимы работы, такие, например, как амплитудный, частотный, время-импульсный, пороговый без дополнительных электронных схем;
— удешевление конечной электронной схемы за счет уменьшения элементов схемы.
Еще одним преимуществом Z-сенсоров можно считать и тот факт, что организовать их серийное производство можно на действующем предприятии по производству полупроводников. Следует отметить, что нет необходимости в организации сверхчистого производства: достаточно чистоты производственных помещений класса 5...10 тыс.
Стоимость элементов при промышленном производстве не будет превышать стоимости аналогичных элементов, что позволит свободно конкурировать на рынке полупроводников.
Многолетние исследования рынка полупроводников определили спектр основных потребителей Z-сенсоров. Это и современные инженерные системы (в промышленных, транспортных, складских, ландшафтных, больничных, гостиничных, курортных, спортивных комплексах, больших зданиях и офисных комплексах, коттеджах и т. д.), бытовая и сельскохозяйственная техника, медицинское оборудование различной сложности, противопожарное и отопительное оборудование, системы безопасности и т. п. Наиболее перспективными направлениями ожидаются автомобильная промышленность и системы "Умный дом" [4].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Открытие Z-эффекта и разработка на его основе Z-сенсо-ров получила высокую оценку специалистов в области полупроводниковой микроэлектроники разных стран. Испытания и исследования были успешно проведены в крупных научных центрах Японии, Италии, Швейцарии и Китая. Регулярно работа представляется на международных и российских выставках, где неизменно получает признание научного сообщества.
Авторами были получены патенты в России и США, описана технология производства, регулярно выходят в печать статьи и эссе о проводимых исследованиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. с. № 1739402 СССР. Полупроводниковая структура и способ управления проводимостью полупроводниковой структурой / В. Д. Зотов и др.
2. Рса. USA № 5,742,092. Semiconductor structures, methods for controlling their conductivity and sensing elements, based on these semiconductor structures / V. D. Zotov, et al.
3. Зотов В. Полупроводниковые многофункциональные сенсоры широкого применения (Z-сенсоры) // Chip News. - 1998. - № 4. — С. 22—29.
4. Зотов В. Д., Виноградова Е. П. О возможностях Z-сенсоров и некоторых аспектах их
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.