Brevet FR2121659A1 — publié le 19720825

La présente invention concerne une thermis-tance en matière eeniconductrice monocristalline, comportant au moins deux électrodes formées sur une face principale de son corps semiconducteur. 5 L'invention concerne également un procédé permettant la fabrication d'une telle thermistance. On connaît déjà des thermistances formées par des corps frittés polycristallins en différents oxydes métalliques. Ces thermistances semiconductrices sont u'tili- 10 sées comme résistances sensibles à des variations de tempe- \ rature et servent à la mesure électrique de la'température. Par rapport aux résistances thermométriques métalliques, de telles thermistances possèdent une plus grande sensibilité (environ 4- $ par °C contre 0,4- % par °C), des dimen-15 sions plus réduites, des résistances ohmiques plus élevées, et des coûts de fabrication inférieurs. De plus, les caractéristiques (résistance ôhmique. et sensibilité) et la constance du comportement dans le temps de ces thermistances poly-cristallines frittées n'exigent que des tolérances de fa-20 brication relativement peu sévères. Par ailleurs, on connaît également (par . exemple par le brevet américain N° 3 .'270.309) des thermistances en germanium monocristallin intrinsèque. Pour de telles thermistances, la valeur absolue de la conducti-25 vité et la façon dont celle-ci varie en fonction de la température correspondent alors précisément aux lois physiques. Toutefois, jusqu'à présent, il n'a pas été possible d'obtenir des thermistances en germanium qui res— 30 pectent des critères-de tolérance très sévères et dont le fonctionnement reste stable pendant une longue durée, du fait que lors de la fabrication, le corps semiconducteur et les électrodes subissent de trop fortes variations de leurs dimensions, celles-ci déterminant la valeur électrique des 35 composants fabriqués. Cet inconvénient n'a pas non plus été éliminé dans une autre thermistance connue (voir la demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne N° 1 804 012) dont les électrodes sont formées sur une face principale d'un corps semiconducteur monocristallin. En effet, ces électrodes sont dis 40 posées sur les bords du corps semioondiJGteur, de sorte que dans la géo- 72 00441 2 2121659 métrie d'électrodes qui définit les valeurs électriques précitées, le corps semiconducteur subit des variations de ces dimensions extérieures qui ne sont définies qu'approximativement pendant la fabrication comportant 11èntaillage 5 et la rupture du corps* La présente invention permet d1 éliminer les inconvénients des thermistances connues. Conformément à l'invention, la forme, les dimensions et la distance entré les électrodes sont telles que, dans le corps semiconduc— 10 teur, la densité de courant sur le bord de la face principale ainsi que sur toutes les autres faces du corps semiconducteur est très petite par rapport à la -densité de courant au centre de la face principale. Pour maintenir très faible, dans le corps 15 semiconducteur, la densité de courant sur le bord de la face principale, ainsi que sur toutes les autres faces, un autre mode de réalisation de l'invention est remarquable en ce que, entre les deux électrodes d'alimentation sur la face principale, on forme d'autres électrodes de champ non 20 alimentées, influençant la variation de la densité de courant. Par ailleurs, la face principale du. corps semiconducteur peut être liùitée par un bord conducteur. De préférence, le corps semiconducteur est en germanium intrinsèque. Des procédés particulièrement efficaces per-25 mettant la fabrication de ce genre de thermistancessont remarquables en ce que les électrodes de la face principale du corps semiconducteur sont formées par la mise en oeuvre de techniques soit photolithographiques, soit sérigraphiques. Les avantages obtenus par la mise en oeuvre de 30 l'invention consistent principalement en ce que la résistance électrique mesurée entre les deux électrodes est définie quasi exclusivement pa;r leur géométrie (c1 est-à-dire les dimensions des électrodes et l'écartement entre celles-ci^., tandis qu'il est possible de négliger l'influence des di-35 mensions extérieures du corps semiconducteur sur ladite résistance. En outre, par la concentration de champ au voisinage des élect,rodes, on réduit fortement la sensibilité que les autres faces du corps semiconducteur présentent vis-à-vis des impuretés. La disposition planaire des électrodes permet de 4-0 fabriquer celles-ci soit par la mise en oeuvre de techniques 72 00441 3 2121659 photolithographiques très précises, soit par sérigraphie, de sorte que les paramètres géométriques définissant la résistance électrique de la thermistance (dimension des électrodes et écartement entre celles-ci) peuvent être res-5 pectées de manière très précise. En outre, ces techniques se sont avérées intéressantes pour la fabrication en grande série. L'autre exigence concernant l'obtention de la valeur électrique exacte de la thermistance, à savoir 10 les propriétés exactement définies du matériau semiconduc- \ teur, est respectée automatiquement par l'empldi de monocristaux semiconducteurs intrinsèques. Le germanium convient pour des températures comprises entre -40° et +300°C, tandis que pour des températures plus basses, il y a lieu d'utiliser 15 le composé InSb, le silicium étant indiqué pour des températures supérieures à 100°C. La description suivante, en regard du dessin annexé, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. 20 La figure 1 est une vue en perspective d'une thermistance conforme à l'invention» La figure 2 est une vu'e en plan du corps semiconducteur d'une autre thermistance conforme à l'invention , munie de deux électrodes de champ disposées entre les 25 électrodes principales. La figure 2a est une coupe transversale du corps semiconducteur illustré sur la figure 2. La figure 3 est une vue en plan du corps .semiconducteur d'une troisième variante de la thermistance 30 conforme à l'invention, la disposition des électrodes étant voisine de celle illustrée sur la figure 2, et un bord conducteur limitant la face principale du corps semiconducteur, munie d'électrodes. Sur la figure 1, la thermistance conforme à 35 l'invention est formée par un corps carré 1 en germanium monocristallin intrinsèque. Sur la face principale de ce corps 1, on a formé deux électrodes métalliques circulaires 2, en alliage d'or et d'antimoine. Par thermocompression, on a fixé à ces électrodes deux fils de connexion 3j en or. 4-0 La face principale du corps, munie des électrodes 2, est proté- 72 00441 4 2121659 gée par une couche isolante 4-. La face principale opposée du corps semiconducteur, à travers laquelle là thermistance reçoit la chaleur à mesurer, est recouverte d'une autre couche isolante 5» &e faible-épaisseur» 5 Dans une thermistance ainsi conçue» la densité de courant est maximale sur la ligne reliant directement les deux électrodes circulaires 2, alors qu'au bord de la face principale, la densité de courant diminue rapidement jusqu'à une valeur négligeable. De ce fait, la valeur élec-10 trique mesurée entre les deux électrodes 2 n'est pas sensible à des fluctuations des dimensions extérieures (a,b,c) du corps semiconducteur» Pour une thermistance réalisée en pratique et présentant les dimensions suivantes î 15 a = b = 1 mm c = 0,17 nœ d = 0,1 mm r = 0,2 mm on.a obtenu les valeurs suivantes : 20 A a/a = 10 % : ** 1 % A b/b = 10 % s A R20oC/R20oC ^ 1 '% A °/c ~ 3 % î A R20°c/R20°c ^ \ % Du fait que par suite des techniques de rodage et de décapage mises en oeuvre lors àe la fabrication, 1'épais-25 seur c du corps semiconducteur peut encore être respectée assez exactement, on peut tabler sur l'obtention d'une valeur A c/c égale à 3 %, tandis que pour les longueurs a et b des côtés de la plaquette, il faut tenir compte d'écarts de 10 % par suite des techniques d'entaillage et de rupture lors de 30 la fabrication de la plaquette. Pour les dimensions précitées du corps semiconducteur, on obtient pour la thermistance une résistance électrique égale à 1,6 * 1 % à une température de 20°0. L'étendue de mesure de températures se situe entre -40 et 35 + 300°C. Pour une charge de 0,8 mW, la température de la plaquette augmente de 1°C. Lorsque les électrodes sont circulaires, elles sont le siège d'une forte concentration du champs qui limite la valeur supérieure de la charge électrique pouvant être imposée 72 00441 5 2121659 à la thermistance» Toutefois, le fait d'augmenter le diamètre des électrodes entraîne une réduction indésirable de la résistance, ainsi qu'à une influence accentuée de fluctuations éventuelles de l'épaisseur du corps semiconducteur du fait 5 de la plus grande profondeur de pénétration du champs électrique. Pour pouvoir imposer des charges électriques plus élevées à la thermistance, il est préférable d'utiliser la thermistance illustrée sur la figure 2, dans laquelle, il est vrai, une plus grande partie du volume du corps semiconducteur 10 est soumise à la charge électrique, mais dans laquelle néanmoins \ . l'influence des dimensions de ce corps sur la résistance électrique n'est pas plus grande que celle dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1. La thermistance représentée.sur la figure 2 15 est formée également par un corps en matériau semiconducteur monocristallin intrinsèque, une face principale de ce corps étant munie de deux électrodes métalliques 2 en forme de barreau, reliées à deux fils de connexion 3» Entre ces électrodes d'alimentation 2, on a disposé deux électrodes de champ 20 6, également en forme de barreau, qui augmentent la densité de courant au voisinage de la surface du corps semiconducteur et qui de ce fait rendent faible l'influence de l'épaisseur du corps semiconducteur, malgré le grand êcartement entre les électrodes alimentées 2. Sur la figure 2a, qui est une coupe 25 se rapportant à la figure 2, on a représenté les trajets de courant i et les lignes de potentiel'^, qui permettent de se rendre compte de l'effet précité. Pour obtenir une répartition de champ aussi uniforme que possible, par rapport à la distance entre les électrodes de champ et les électrodes 30 d'.alimentation 2, on-a augmenté quelque peu l'écartement entre les électrodes de champ 6. De ce fait, la thermistance est formée pratiquement par un montage en série de trois résistances distinctes entre chaque fois deux électrodes en forme de barreau. 35 Le principe des électrodes de champ peut évidemment être utilisé également pour des électrodes affectant une forme différente, par exemple les électrodes circulaires illustrées sur la figure 1• On est libre du choix du nombre d'électrodes de champ. 40 La figure 3 montre une troisième thermistance 72 00441 6 2121659 conforme à 11invention , dans laquelle la face principale d'un corps semiconducteur monocristallin intrinsèque est munie, comme sur la figure 2, de deux électrodes d'alimentation 2, en forme de barreau, reliées à des fils de conne-5 xion 3, et de deux électrodes de champs 6, disposées entre les électrodes 2. Toutefois, pour cet exemple de réalisation sur la face principale du corps semiconducteur, on a formé en outre un bord conducteur qui toutefois n'est pas contacté électriquement. En plus du courant i^ s'écoulant entre les 10 électrodes alimentées 2, ce bord conducteur 7 est parcouru par un courant ig, de sorte qu'on perfectionne davantage la répartition de 1*énergie électrique. Etant donné que la résistance électrique du trajet suivi par le courant ig est déterminée essentiellement par la distance entre les 15 électrodes 2, et la limite intérieure du bord conducteur pouvant être respectée de manière très précise lors de la fabrication, la largeur du bord conducteur, qui est fonction des variations des dimensions extérieures du corps semiconducteur, n'influence que peu la résistance totale. Ce bord con-20 ducteur offre encore l'avantage que lors de la séparation des corps semiconducteurs distincts, il n'y a pas à entailler, à l'aide d'un diamant par exemple, la couche isolante tenace (par exemple une couche de SiOg)» Pour les exemples de réalisation illustrés sur les figures 1 et 2, l'entaillage de 25 cette couche isolante ne peut avoir lieu que par une opération additionnelle qui, par décapage, élimine de l'entaille la couche isolante. Lors de la fabrication des thermistances décrites, les électrodes et éventuellement le bord conducteur de la face 30 principale du corps semiconducteur sont obtenues par des procédés couramment utilisés lors de la fabrication en grande série de composants semiconducteurs. Un tel procédé est principalement un dépôt par évaporation pendant lequel on utilise des masques photolithographiques. De plus, les faces principales(au moins) 35 de tous les corps semiconducteurs (encore cohérents) sont re-35 vêtues d'une couche isolante adéquate, par exemple en SiOg, dans laquelle, après le placement d'un masque en laque photosensible, on décape ensuite de nouveau les faces sur lesquelles le corps semiconducteur est recouvert de métal devant former 40 les électrodes et éventuellement le bord conducteur. Cette 72 00441 7 2121659 opération ayant pris fin, le métal, par exemple de l'or, est déposé par évaporation et éventuellement allié à la surface du corps semiconducteur. les couches métalliques qui sur les faces principales des corps semiconducteurs doivent constituer les électrodes et éventuellement le "bord conducteur, peu— -vent parfois être formées par sérigraphie. 72 00441 8 2121659 HETBIH IC k IIOSS 1»~ Thermistance comportant un corps semiconducteur monocristallin, pourvu d'au moins deux électrodes formées sur la face principale, caractérisé en ce que 5 la forme, les dimensions et la distance entre les électrodes sont telles que la densité de courant au bord de la face principale, ainsi' que sur toutes les autres faces du corps semiconducteur est très petite par rapport à la densité de courant au centre de la face principale. 10 2.- Thermistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que sur la face principale, entre les deux électrodes d'alimentation, elle comporte d'autres électrodes de champ non alimentées, influençant la variation de la densité de courant. 15 3«- Thermistance selon la revendication 2, caractérisée en ce que la forme et les dimensions des électrodes non alimentées diffèrent de la forme et des dimensions des électrodes d'alimentation. 4.- Thermistance selon la revendication 3» 20 .caractérisée en ce que les distances entre les électrodes non alimentées d'une part, et les distances entre celles-ci et les électrodes d'alimentation d'autre part, diffèrent. 5«- Thermistance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4-, caractérisée en ce que les électrodes 25 .d'alimentation sont circulaires. 6.- Thermistance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la face principale du corps semiconducteur est limitée par un bord conducteur. 30 7.- Thermistance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5» caractérisée en ce que la face principale du corps semiconducteur est munie d'une couche de protection. 8w- Thermistance selon la revendication 7» 35 caractérisée en ce que la couche de protection est en bioxyde de silicium.. 9.— Thermistance selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la face du corps semiconducteur, opposée à la face principale munie 72 00441 9 2121659 d'électrodes, est munie d'une couche de protection en bio-xyde de silicium ou en oxyde d'aluminium. 10.- Thermistance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le maté- 5 riau intrinsèque constituant le "corps semiconducteur est du germanium, du silicium, ou de 1'antimoniure d'indium, 11.--Procédé permettant la fabrication d'une thermistance selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que sur la face principale du corps 10 semiconducteur, les électrodes et éventuellement le bord conducteur sont formés par la mise en oeuvre de' techniques photolithographiques. 12.- Procédé permettant la fabrication d'un thermistor selon l'une quelconque d3s revendications 1 à 15 10, caractérisé en ce que sur la face principale du corps semiconducteur, les électrodes et éventuellement le bord conducteur sont formés par sérigraphie.