ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ ВА САМАРҚАНД ДАВЛАТ
УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ
ДАРАЖАСИНИ БЕРУВЧИ 16.07.2013.FM/T.12.01 РАҚАМЛИ
_________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ____
ИЛМИЙ КЕНГАШ
__ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __ _________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______
______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___
ТОШКЕНТ ДАВЛАТ ТЕХНИКА
УНИВЕРСИТЕТИ
НАСРИДДИНОВ САЙФИЛЛО САИДОВИЧ
КРЕМНИЙ АСОСИДА НИКЕЛ АТОМИ
НАНОКЛАСТЕРИЛИ ТЕРМОДАТЧИКНИ ИШЛАБ ЧИҚИШ
ВА УНИ ТАЙЁРЛАШ ТЕХНОЛОГИЯСИ
01.04.10 – Ярим ўтказгичлар физикаси (техника фанлари)
ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ
Тошкент – 2016 йил
УДК:621.315.592.2
Докторлик диссертацияси автореферати мундарижаси
Оглавление автореферата докторской диссертации
Content of the abstract of doctoral dissertation
Насриддинов Сайфилло Саидович
Кремний асосида никел атоми нанокластерили термодатчикни ишлаб чиқиш
ва уни тайёрлаш технологияси................................................ 3
Насриддинов Сайфилло Саидович
Разработка термодатчика на основе кремния с нанокластерами атомов
никеля и его технология изготовления………………………………..27
Nasriddinov Sayfillo Saidovich
Development of temperature sensor based on silicon with nanoclusters of nickel
atoms and its manufacturing technology..................................................52
Эълон қилинган ишлар рўйхати
Список опубликованных работ
List of published works…………………………………………………………...75
2
ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ ВА САМАРҚАНД ДАВЛАТ
УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ
ДАРАЖАСИНИ БЕРУВЧИ 16.07.2013.FM/T.12.01 РАҚАМЛИ
_________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___
ИЛМИЙ КЕНГАШ
___ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __ _________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______
______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___
ТОШКЕНТ ДАВЛАТ ТЕХНИКА
УНИВЕРСИТЕТИ
НАСРИДДИНОВ САЙФИЛЛО САИДОВИЧ
КРЕМНИЙ АСОСИДА НИКЕЛ АТОМИ
НАНОКЛАСТЕРИЛИ ТЕРМОДАТЧИКНИ ИШЛАБ ЧИҚИШ
ВА УНИ ТАЙЁРЛАШ ТЕХНОЛОГИЯСИ
01.04.10 – Ярим ўтказгичлар физикаси (техника фанлари)
ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ
Тошкент – 2016 йил
3
Докторлик диссертацияси мавзуси Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамаси
ҳузуридаги Олий Аттестация комиссиясида 28.04.2016/ В.2016.2Т.323 рақам билан рўйхатга
олинган.
Докторлик диссертацияси Тошкент давлат техника университетида бажарилган. Диссертация
автореферати уч тилда (ўзбек, рус, инглиз) Илмий кенгашнинг веб-саҳифага (fti-kengash.uz) ва
“ZiyoNet” Ахборот-таълим порталига (www.ziyonet.uz) жойлаштирилган.
Илмий маслаҳатчи: Эгамбердиев Бахром Эгамбердиевич
физика-математика фанлари доктори, профессор
Расмий оппонентлар
:
Муминов Рамизулла Абдуллаевич
физика-математика фанлари доктори, Ўз.Р ФА академиги
Абдукадыров Мухитдин Абдурашидович
техника фанлари доктори, профессор
Алиев Райимжон
техника фанлари доктори, профессор
Етакчи ташкилот: Фарғона политехника институти
Диссертация ҳимояси Физика-техника институти ва Самарқанд давлат университети
ҳузуридаги 16.07.2013.FM/T.12.01 рақамли Илмий кенгаш асосида 01.04.10 ихтисослиги бўйича
(техника фанлари) тузилган бир марталик илмий кенгашнинг «____»____________2016 й. соат
____даги мажлисида бўлиб ўтади (Манзил: 100084, Тошкент, Бодомзор йўли кўчаси, 2б-уй.
Тел./факс: (99871) 235-42-91, e-mail: lutp@uzsci.net).
Докторлик диссертацияси Физика-техника институти Ахборот-ресурс марказида № 04
рақами билан рўйхатга олинган, диссертация билан АРМ да танишиш мумкин (Манзил: 100084,
Тошкент, Бодомзор йўли кўчаси, 2б-уй. Тел./факс: (99871) 235-30-41).
Диссертация автореферати 2016 йил «___»___________ да тарқатилди.
(2016 йил _____________ даги ____ рақамли реестр баённомаси).
С.Л. Лутпуллаев
Фан доктори илмий даражасини берувчи
илмий кенгаш раиси ф.-м.ф.д., профессор
А.В. Каримов
Фан доктори илмий даражасини берувчи
бир марталик илмий кенгаш илмий котиби
ф.-м.ф.д., профессор
И.Г. Атабаев
Фан доктори илмий даражасини берувчи илмий
кенгаш ҳузуридаги илмий семинар раиси
ф.-м.ф.д., профессор
4
Кириш (докторлик диссертацияси аннотацияси)
Диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурати.
Ҳозирги кунда
жахонда динамикали ривожланаётган электрон ҳисоблаш техникаси йўнали
шида муҳим физик-технологик муаммолардан бири саноатда, илмий текши
ришда ҳамда хўжаликда ҳар ҳил жараёнларни кенг кўламда автоматлаш
тиришда, биринчи галда ҳароратни ва бошқа параметрларни диагностика
лашда қўлланиладиган функционал характеристикалари яхшиланган нано
кластерли яримўтказгичли материаллар асосида харорат датчикларини ишлаб
чиқариш ҳисобланади.
Турли атомлар нанокластери хосил қилинган кремний асосли термо
резисторлар актив соҳасининг электрофизик параметрлари билан уларнинг
эксплуатацион параметрлари орасидаги ўзаро боғлиқлигини тадқиқ қилиш,
термо датчикларнинг олдин маълум бўлмаган имкониятларини очиб берувчи
янги техник ечимлар топиш имконини беради. Термодатчикнинг актив
соҳасини мукаммаллаштириш, сезгирлигини сақлаш, параметрлари фарқла
нишини камайтириш муаммоларини ечиш, ҳамда нанокластерли материал
лардан фойдаланиб ҳар ҳил шароитларда ҳароратни ўлчайдиган яримўт
казгичли янги авлод асбобларини тайёрлаш технологиясига мослаштириш
муҳим аҳамият касб этди.
Нанокластерли материаллар асосида олинган яримўтказгичли асбоблар
жумласига кирувчи терморезисторларни саноат объекти параметрларини
назорат қилиш системаларида ва қурилмаларида татбиқ қилиш уларнинг
сезгирлигини ошириш ва уланиш схемаларини тадқиқ қилишни талаб қилади.
Шунинг
учун
терморезисторларнинг
конструктив
параметрларини
оптималлаштириш мақсадида нанокластерли материаллар параметрларини
терморезисторнинг хусусиятига таъсири ҳамда турли нано қиришмаларнинг
диффузион жараёнларини ўрганиш жуда муҳим ҳисобланади.
Ушбу тадқиқот нанокластерларни паст температурали диффузия
усулини яратишга ҳамда база материалини танлашга ва адгезияли контакт
олиш йўлларини ишлаб чиқишга, шунингдек, нанокластерли материаллар
асосида термодатчиклар таёрлашга йўналтирилган. Бундай термодатчиклар
нинг функционал характеристикаларини яхшилаш, уларни тайёрлашнинг ар
зон технологиясини таклиф қилиш ва бу технологиянинг техник маршрутини
яратиш муҳим илмий-амалий аҳамият касб этади.
Ўзбекистон Республикаси Президентининг 2010 йил 15 декабрдаги
ПҚ-1442 – сон «2011–2015 йилларда Ўзбекистон Республикаси саноатини
ривожлантиришнинг устувор йўналишлари тўғрисида»ги Қарори ҳамда маз
кур фаолиятга тегишли бошқа меъёрий-ҳуқуқий ҳужжатларда белгиланган
вазифаларни амалга оширишга ушбу диссертация тадқиқоти муайян даража да
хизмат қилади.
Тадқиқотнинг республика фан ва технологиялари равожланиши нинг
асосий устувор йўналишларига боғлиқлиги.
Диссертация тадқиқоти
республика фан ва технологияларни ривожлантиришнинг амалий тадқиқот
дастури III «Энергетика, энергоресурстежамкорлиги, транспорт, машина ва
5
асбобсозлик, замонавий электроника, микроэлектроника, фотоника ва элек
трон асбобсозлиги ривожланиши»нинг устувор йўналишларига мувофиқ ба
жарилган.
Диссертация мавзуси бўйича хорижий илмий-тадқиқотлар шарҳи
1
.
Термодатчиклар бўйича илмий ва амалий тадқиқотлар етакчи илмий
марказлар ва университетлар томонидан, жумладан, америкалик олимлар Ф.
Мейзда, ва A.A. Volinsky хамда хитой тадқиқотчилари M. Shao ва N. Zhano,
томонидан олиб борилмоқда. Ҳарорат ўлчаш қурилмаларида микро
процессорларни қўллаш бўйича олимлар В.В. Сахин, А.А. Шехурдин
томонидан олиб борилаетган изланишдар диққатга сазовор, ҳарорат
датчиклари ишлабчиқиш устида изланишлар Hewlett-Packard (Англия), Analog
Devices (АҚШ) ва Oméga (Германия) каби таниқли фирмаларда ҳамда
дунёнинг бошқа мам-лакатларида олиб борилмоқда.
Жаҳон миқёсида янги яримўтказгичли материаллар асосида сезгирлиги
юқори бўлган ҳароратни ўлчовчи асбоблар олиш соҳасида қатор, жумладан,
қуйидаги илмий ва амалий натижалар олинган: қаршилик харорат коэффи
циенти мусбат бўлган кремний асосидаги сезгир элементлар Volvo, Siemens
(Германия), Philips (Нидерландия), ITT Components Group (Буюкбритания)
фирмаларида ишлаб чиқилган; турли мақсадларга мўлжалланган датчиклар
ишлаб чиқиш технологиялари ривожлантирилган (Rodan Industries Inc, Texas
Instruments, АҚШ).
Бугунги кунда сезгирлиги талаб даражасида бўлган, нисбатан олиш
технологияси арзон, интеграл датчиклар ўрнини босувчи, оммабоп техноло
гик жараёнларни бошқаришга мўлжалланган ва параметрлари оптималлаш
тирилган кремний асосидаги ҳароратни ўлчовчи ўзгартгичлар ишлаб чиқиш
ҳамда уларнинг функционал хусусиятларини кенгайтириш масалалари бўйи ча
назарий ва амалий натижалар олинган.
Муаммонинг ўрганилганлик даражаси.
Бугунги кунга қадар ҳаро ратга
сезгир элементлар назарияси ривожланишига ва амалиётига қатор олимлар,
жумладан: В.С. Громов, Н.П. Удалов, А.И. Кривоносов, Ю.В. Зай цев, И.Л.
Ротберт, И.Т. Шефтель ва Г. Виглеблар сезиларли хисса қўшдилар. Улар
датчиклар бозорини ҳар хил харорат ўлчагичлари, турли диапазонли
ўлчовчи-ўзгартгичлар билан бойитишди. Аммо яримўтказгичли ҳарорат дат
чикларига тор температура диапазони хос бўлиб экстремал холатда ишлаш
имконияти чекланган. Шу туфайли янги авлод ҳарорат датчикларини ва
бирламчи ўзгартгичларни ишлаб чиқиш зарурати ҳароратни кенг оралиқда
1
Диссертациянинг мавзуси бўйича халқаро илмий-тадқиқотлар шарҳи Мейзда Ф. / Электронные
измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. – С.250-335. Alex A. Volinsky
and Lev Ginzbursky. / Irradiated cubic single crystal SiC as a high temperature sensor. 2003 Materials Research
Society Fall Meeting. С. 273-278. Zhano N, Fu HW, Shao M, Li HD, Liu YG, Qiao XG. Research on high
sensitivity temperature sensor based on Mach-Zehnder interferometer with waist-enlarged fiber bitapers. // Guang
Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi. 2014 Jun;34(6):1722-6. Сахин В.В., Шалимов В.П. Теплопередача // БГТУ, СПб.
2003. С. 120-135. Шехурдин А.А. Использование оптоэлектронных систем с кварцевыми монолитными
световодами в АСУ ТП промышленных печей // Автоматизация в промышленности. 2007. №4. С.23-24 ва
бошқа манбалар асосида бажарилган.
6
регистрация қилувчи автоматлаштирилган ўлчов асбоблари ва уларга қўйил
ган талабларни аниқлайди.
Ҳозирги пайтда сонли чиқишли датчиклар талаб қилувчи электрон
коммуникациялар жиҳозлари ва сонли техника ривожланишига катта эъти бор
ажратилмоқда. Таниқли олимлар Э.И. Цветков ва А.М. Мелик-Шахназа ровлар
ҳарорат ўлчаш қурилмаларида микропроцессорларни қўллаш масала ларини
илгари суришди. Маълум бўлган аналогларга нисбатан ўта сезгир пассив
ҳарорат датчикларида ишлатилувчи сиртки акустик тўлқинлар асоси да
датчиклар яратишнинг янги принциплари Ю.В. Гуляев томонидан таклиф
қилинган.
Бу борада шуни таъкидлаш керакки, ҳарорат датчиклари параметрлари
ни оптималлаштириш улар тайёрланадиган материалга ва ишлов бериладиган
технологияга боғлиқ. Кремний асосидаги датчиклар олишда ишлатилиб кели
наётган оммабоп диффузия методлари имкониятлари ўз ниҳоясига етказил ган
бўлиб, ярим ўтказгичли матрицада нанокластерлар шакллантиришнинг янги
технологиясини яратиш истиқболлидир. Бу йўналишда Ўзбекистон олимлари,
жумладан, М.К. Бахадирханов мактаби кремнийга ўтиш металла рини
диффузия қилишнинг янги усулини яратиб, нанокластерли материал ларни
ҳосил қилиш технологиясини мукаммаллаштиришга ўз ҳиссасини қўшди,
қайсики сезгирлиги ва ишлаш температурси (120 ºС дан) юқори бўлган
ҳароратли датчиклар олиш технологиясини яратиш учун асос бўла олади. М.С.
Юнусов мактабида эса бир қатор олимлар кремнийни термора диацион
лигерлаш технологиясини яратиб, яримўтказгичлар радиацион физикаси
йўналишини очишга асос солишди, Б.Э. Эгамбердиев группаси томонидан
ҳарорат датчиклари асосида кўп каналли ўлчовчи ўзгартгичлар барпо
қилишнинг принциплари ривожлантирилган.
Юқорида келтирилганлардан келиб чиқадики, кремний асосида нано
кластерли структуралар олишнинг физик-технологик аспектларини ишлаб
чиқиш, кремний матрицасига киришмалар киритишни таъминловчи диффу
зион жараёнларни бошқарилишини мукаммаллаштириш ва ҳарорат датчик
лари конструкциясини интеграл танлашга қаратилган ҳамда улар параметр
ларини технологик жараёнлар билан биргаликда оптималлаштириш, шу
билан бирга улар параметрининг стабиллигини таъминлаш йўналишида тад
қиқотларни амалга ошириш долзарб, илмий-амалий аҳамиятга эга ҳисоб
ланади.
Диссертация мавзусининг диссертация бажарилаётган олий таъ лим
муассасасининг илмий тадқиқот ишлари билан боғлиқлиги.
Диссер тация
тадқиқоти Тошкент давлат техника университетининг илмий-тадқиқот
ишлари режасининг П-10.19 «Принципиал янги синф физик катталиклар
(ҳарорат, магнит майдони, босим, ИҚ нурланиш, намлик, радияция) датчик
ларини яратиш ва ишлаб чиқиш» (2002 – 2012), ИД6-022 «Қишлоқ ҳўжалиги
маҳсулотларининг ҳароратини дистанцион назорат қилиш учун кўп каналли
асбоб ишлаб чиқиш» (2008-2010йй.) мавзусидаги лойиҳалар доирасида бажа
рилган.
7
Тадқиқотнинг мақсади
никел нанокластерили юқори сезгир ҳарорат
датчиклари олишнинг диффузион технологиясини мукаммаллаштириш ва
улар асосида объектлардаги ҳарорат билан боғлиқ жараёнларни бошқарувчи
асбоблар комплекси ва параметрлари стабил ҳамда ҳар хил ташқи таъсир
ларга чидамли системаларни ишлаб чиқишдан иборат.
Тадқиқот вазифалари
:
кремнийда никел атоми нанокластерларининг тартибли жойлашувини
таъминлайдиган диффузион технологияни ишлаб чиқиш;
кремнийли структураларга омик контактлар учун ўта лигерланган
соҳалар олиш технологиясини жорий қилиш;
нанокластерли компенсирланган кремний асосида термодатчиклар
тайёрлаш технологик маршрутини ишлаб чиқиш;
никел билан лигерланган кремний асосли термодатчиклар ишчи харак
теристикаларига гамма радиациясининг таъсирини ўрганиш; ўлчовчи
ўзгартгичларнинг рақобатбардош қурилмасини термодатчик геометрияси
хусусияти ва уланиш схемасини ҳисобга олган ҳолда танлаш; ҳарорат ўлчагич
қурилмасининг хатолигини баҳолаш ва уни компен сация қилиш.
Тадқиқотнинг объекти
диффузион технология асосида тайёрланган
нанокластерли илк бор олинган кремнийли
n
+
-n-n
+
-
структуралар ва улар асо
сидаги ўлчовчи ўзгартгичлардан иборат.
Тадқиқотнинг предмети
кремнийни никел билан диффузион лигер лаш
технологик жараёнлари, ҳарорат датчиги асосида ўлчагич ўзгартгичи
системасининг эксплуатацион параметрларини идентификациялаш модели,
яримўтказгич юзасига адгезияси яхшиланган омик контакт олиш технология
сидан иборат.
Тадқиқотнинг усуллари.
Тадқиқот жараёнида экспериментал физика
нинг комплексли информатив усуллари: вольтампер, тўрт зондли усул ва Холл
эффекти, растрли электрон микроскопия, электрон микрозондли микро анализ
усули, суст ва тез электронларнинг дифракция методи, ўлчагич ўз гартгичлар
хатолар назарияси усуллари қўлланилган.
Тадқиқотнинг илмий янгилиги
қуйидагилардан иборат:
кремний ҳажмида никел атомлари нанокластерларини ҳосил бўлишини
таъминловчи уч босқичли, яъни ҳар бир босқичда ҳарорат (300÷600; 600÷900;
900÷1250 ºС) маълум тезликда (5 град/мин) оширилиб, маълум дақиқада (10
минут) ўзгармас ҳолда сақланиб, кейин 100 град/сек тезликда пасайти
рилишидан иборат никелни кремнийга диффузия қилиш усули ишлаб чиқил
ган;
никел билан легирланган кремнийли структураларга омик контактлар
олиш учун никел метали кимёвий усулда ҳажмига никел диффузия қилинган
кремний юзасига ўтказилиб 10 минут давомида 650 градусда термик ишлов
беришдан иборат юқори легирланган қатлам олиш технологияси яратилган;
илк бор никел нанокластерлари киритилган кремний асосида сезгир
лиги юқори (7800 К) бўлган ва чиқиш характеристикалари стабиллашган ҳа
рорат датчиги тайёрланган ҳамда уни тайёрлаш технологиясининг маршрути
8
амалга оширилган;
операцион кучайтиргич ёрдамида корректорловчи тескари боғланиш
киритиш эвазига термодатчикнинг ўтиш жараёнларини бир даражага камай
тириш мумкинлиги тажрибада кўрсатилган;
никел билан лигерланган кремнийли ҳарорат датчикларининг ток та шувчилар
концентрацияси 10
16
см
-3
дан юқори бўлганда 10
6
рентген дозали гамма
радиацияси таъсирида уларнинг солиштирма қаршилиги сезилмас даражада
ўзгариши, яъни радиацияга чидамлилиги, ток ташувчилар кон центрацияси
10
14
см
-3
дан кичик бўлганда эса (5÷10)∙10
6
рентген доза таъ сирида
ўтказувчанлик типининг ўзгариши.(
n→p
) тажрибада аниқланган
;
талаб қилинаётган параметрларга қараб (сезгирлиги, нархи, аниқлиги ва
ҳ.к.) компьютер йўли билан моделлаштириш асосида датчикнинг шакли ни,
контакт чиқишларини, ҳимоялаш қатламини ва ўлчовчи схема параметр
ларини танлаш имконини берувчи ҳарорат датчиги асосида ўлчагич ўзгарт
гични оптимал структуравий параметрик лойиҳалаш усули таклиф қилин ган;
ҳарорат датчикларининг статистик характеристикаларининг ночизиқ
лиги ва иссиқлик инерционлиги билан характерланувчи хатоликларни, керак
ли чегаравий ҳарорат интервалини танлаш йўли билан камайтириш мумкин
лиги аниқланган.
Тадқиқотнинг амалий натижаси
қуйидагилардан иборат: кремний
ҳажмида турғун нанокластерлар ҳосил бўлишини таъмин ловчи ҳарорат ўсиб
бориш режимида никелни этапли диффузия қилиш усули ишлаб чиқилган,
улар асосида минус 100 дан 180 градус Цельсийгача ин тервалда ҳароратни
ўлчаш учун термосезгир элементлар тайёрлаш техно логияси ишлаб чиқилган;
ҳар хил объектларнинг ҳароратини узоқдан ўлчашни таъминловчи мик
ропроцессорли ўлчагич схемалар тайёрлашнинг техник ечимлари таклиф
қилинган.
Тадқиқот натижаларининг ишончлилиги
физик жараёнларни тадқиқ
қилишда умумқабул қилинган илмий ва технологик услублар, яримўтказгич ли
асбобларнинг характеристикаларини ва параметрларини текширишда
стандарт ва кенг қўлланиладиган тадқиқот усулларидан фойдаланилганлиги
билан тасдиқланган. Натижа ва хулосалар замонавий назарий ва экспери
ментал маълумотларга, яримўтказгичлар ва улар асосидаги материалларнинг
физикавий тасаввурларга асосланган экспериментал маълумотларнинг
ишончлилиги синовдан ўтган комплекс ўлчаш услубларидан ва маълумот
ларга назарий ишлов беришда фойдаланилганлик билан таъминланган.
Тадқиқот натижаларининг илмий ва амалий аҳамияти
. Тадқиқот
натижаларининг илмий аҳамияти шундаки, диффузион ли герлаш йўли билан
кремнийда никел атоми нанокластерларини ҳосил қилиш ва уларни
кремнийнинг электрофизик хусусиятларига таъсирини ҳар томон лама
ўрганиш компенсирланган материалларнинг хоссаси ва структураси
тўғрисидаги тушунчани кенгайтиришга имкон беради.
Тадқиқотнинг амалий аҳамияти шундан иборатки, мукаммаллашти-
9
рилган диффузия технологияси яримўтказгичли материалларнинг мақсадли
модификация қилишга ва улар асосида ҳар хил объектлар параметрларини
назорат қилиш системаларида ва асбобларида қўллашга мўлжалланган тер
мосезгир датчиклар олиш имконини беради.
Тадқиқот натижаларининг жорий қилиниши
.
Кенг ишчи диапазонига эга бўлган (-40÷180 ºС) термосезгир датчик
учун «Термодатчик» Ўзбекистон Республикаси Мулк агентлигининг ихтирога
патенти олинган (UZ IAP 04778 29.11.2013й.). Ишлаб чиқилган термодатчик
саноат асбоблари, илмий объектлар ва турли ҳўжалик қурилмалари ҳамда
субъектларнинг ҳароратини назорат қилиш имкониятини яратади;
параметрлари стабил ҳамда ҳар хил ташқи тасирларга чидамли термо
сезгир датчиклар партияси «FOTON» Очиқ акциядорлик жамиятида ишлаб
чиқилган ва улар асосида яратилган ҳароратни ўлчовчи қурилмалар
Қашқадарё вилоятининг пахта тозалаш пунктларида пахта чигитининг униб
чиқиш қобилиятини талаб даражасида сақлаб қолиш учун ишлатилган
(«FOTON» акциядорлик жамиятининг 2016 йил 30 июндаги
маълумотномаси). Ишланмани жорий қилиш термодатчикларнинг
параметрлари ва барқарорлигини ташқи таъсирларга чидамлилигини
таъминлаган;
ҳароратни ўлчовчи беш каналли микропроцессорли термосезгир қурил
малар дон сақловчи иншоотларда (элеватор) буғдой маҳсулотлари ҳарорати ни
кузатиш учун ишлатилган («Галла-Алтек» очиқ акциядорлик жамиятининг
2016 йил 04 июлдаги маълумотномаси). Ишланмани жорий қилиш дон
маҳсулотлари сақлашнинг стабил шароитларини таъминлаш эвазига уларнинг
сифатини сақлаб қолиш ва исроф бўлишининг олди олинган.
Тадқиқот натижаларининг апробацияси.
Илмий натижалар респуб
лика ва халқаро конференцияларда маъруза ва муҳокама қилинган: жумладан
«8-th international Conference Solid state physics» (Almaty, 2004); «Геотех
нология: иннавационные методы недропользования в ХХ1 веке» (Москва
Навои, 2007); «Рост, свойства и применение кристаллов» (Андижан, 2008);
«Интеграция образования, науки и производства» (Москва, 2008); «Казахстан
в новом мире и проблемы Национального образования» (Чимкент, 2008);
«Наука и производство» (Жетысай, 2009); «Кремний-2010» (Нижний Новго
род, 2010); «Фундаментальные и прикладные вопросы физики» (Ташкент,
2010); «Ўзбекистоннинг инновацион тараққиёти-ёшлар нигоҳида» (Ташкент,
2010); «Фотоэлектрические и теплофизические основы преобразования сол
нечной энергии» (Фергана, 2011); «Оптическая и фотоэлектрическая явления
в полупроводниковых микро и наноструктурах» (Фергана, 2011); «Нанотех
нология ва қайта тикланадиган энергия манбалари: муаммолар ва ечимлар»
(Қарши, 2012).
Диссертация ишининг асосий натижалари Тошкент давлат техника
университетининг яримўтказгичлар йўналиши бўйича умумий илмий семи
нарда (28 май 2016) ҳамда Физика-техника институти ва Самарқанд давлат
10
университети ҳузуридаги 16.07.2013.FM/T.12.01 рақамли Илмий кенгаш
асосида 01.04.10 ихтисослиги бўйича (техника фанлари) тузилган бир
марталик илмий кенгаш қошидаги илмий семинарда ( 10 июн 2016й)
муҳокама қилинган.
Тадқиқот натижаларининг эълон қилиниши
. Диссертация мавзуси
бўйича жами 28 та илмий иш чоп этилган, жумладан, 1 та китоб, 14 та илмий
мақола, шундан 4 та нуфузли халқаро журналларда ҳамда 12 та тезис халқаро
ва республика конференциялар тўпламларида нашр этилган, ихтиро учун 1 та
патент олинган.
Диссертациянинг ҳажми ва тузилиши.
Диссертация кириш, бешта
боб, хулоса, ва 112 номдаги фойдаланилган адабиётлар рўйхати, 2 та илова,
200 саҳифа матн, 76 та расм ва 26 та жадвалдан иборат.
11
ДИССЕРТАЦИЯНИНГ АСОСИЙ МАЗМУНИ
Кириш
қисмида диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурати
асосланган, тадқиқотнинг республика фан ва технологиялари ривожланиши
нинг устивор йўналишларига мослиги кўрсатилган, мавзу бўйича хорижий
илмий-тадқиқотлар шарҳи, муаммонинг ўрганилганлик даражаси келтирил
ган, тадқиқот мақсади, вазифалари, объекти ва предмети тавсифланган, тад
қиқотнинг илмий янгилиги ва амалий натижалари баён қилинган, олинган
натижаларнинг назарий ва амалий аҳамияти очиб берилган, тадқиқот на
тижаларининг жорий қилиниши, нашр этилган ишлар ва диссертация ту
зилиши бўйича маълумотлар берилган.
Диссертациянинг биринчи боби
«Муаммонинг ҳолати ва яримўтказ
гичли нанокиришмали структуралар ишлаб чиқиш технологиясини ях
шилаш тенденциялари»
га бағишланган бўлиб, муаммонинг ҳолати ва тер
мосезгир датчикларни тадқиқ қилиш ва уларнинг функционал характерис
тикаларини яхшилаш тенденциялари бўйича адабиётлар маълумотининг шар
ҳи келтирилган ҳамда термосезгир датчикларнинг база материалини ва ки
ришмани танлаш, нанокластерли материалларнинг физик-химик хусусият лари
кўриб чиқилган. Мавжуд маълумотларнинг назарий ва экспериментал таҳлили
натижасида вазифаларнинг қўйилиши шакллантирилган.
Диссертациянинг иккинчи боби
«Никел атомлари билан легирлаш
усулини ишлаб чиқиш»
деб номланиб, никел термодиффузияси усули би лан
легирланган кремнийни олишнинг технологик этаплари, кремний ҳаж мида
нанокластерлар тартиблашиши жараёнлари келтирилган.
Маълумки
1
диффузия жараёнини тез совутиш билан мувофиқлаштириб
кремнийда никель нанокластерлари олиш мумкин. Бунда диффузия темпера
турасини 750 дан 1050 градус Цельсийгача ўзгартириб хамда совутиш тезли
гини тенлаб нанокластерлар ўлчамини 10 дан 900 нанометргача бошқариш
мумкин. Шунга асосон бизлар кремнийда нанокластерларнинг шаклланиши га
ҳарорат диапазони ва совутиш тезлигини таъсирини ўргандик.
Кремнийга ўтиш группаси металларини диффузия қилиш жараёнлари
ни ўрганиш натижасида ҳар ҳил
4
10
÷
10
град/сек тезликда совутишда элек
трик актив атомлар концентрацияси амалда совутиш тезлигига боғлиқ эмас
лиги аниқланган.
Кремний ҳажмида унинг термик сезгирлигини оширувчи нанокластер
лар олиш учун никелни кремнийга диффузия қилиш жараёнини диффузия пе
чида ҳарорат 5÷7
o
С/мин тезик билан ошиб бориши режимида 700÷1250
o
С
ҳарорат интервалида амалга оширилди. Кремнийни қиздиришни бошлангич
температурадан амалга ошириш барқарор бўлмаган марказларни термик тоб
ланиши учун шароит ҳосил қилади. Диффузия ҳарорати ампула ёнида жой
лаштирилган платина-платинародийли термопара орқали назорат қилинди.
Кўтарилиб борувчи қиздириш 110 минут давомида олиб борилди, кейин эса
1
F. Riedel, W. Schöter. Electrical and structural properties of nanoscale NiSi
2
precipitates in silicon
// Phys. Rev. B., 2000. – Vol. 62. – № 11– pp. 7150-7156.
12
максимал ҳароратга етишгандан сўнг 10минут ушлаб турилди, сўнгра намуна
жойлашган ампула совутиш мақсадида кескин равишда сувга ташланди, бу
эса юқори тезликда V=100 ÷ 300
o
С/сек совутишни ва нанокластерларнинг
кремний ҳажмида бир текисда жойлашишини таъминлашга омил бўлди.
Ҳажмига никел диффузия қилинган кремний юзасига, яхшиланган ад
гезияли омик контакт олиш учун, химик усул билан никел металининг юпқа
қатлами (3 мкм) ўтказилди ва 650 градус Цельсийда 10 минут давомида тер
мик тобланди.
Ишлаб чиқилган ҳарорат датчиклари параметрларини маълум бўлган
аналоглари билан солиштириш шуни кўрсатдики, улар қаршилигининг ҳаро
ратга боғлиқлиги мусбат ва манфий ҳароратларда аналогларга нисбатан бир
қонуниятга бўйсинади, ҳарорат коэффициенти эса юқори қийматларга эга (1
жадвал).
1 жадвал
Никел нанокластерларили кремний асосидаги ҳарорат
датчикларининг (1x1x0,5 мм
3
) параметрлари
№
ρ
, Ом
⋅
см
В, K
Т,
0
С
1
3
⋅
10
2
4600
-60
÷
120
2
3
⋅
10
3
6250
-60
÷
130
3
2
⋅
10
4
7000
-70
÷
140
4
10
5
7200
-80
÷
150
5
6
⋅
10
5
7300
-100
÷
160
КМТ-1
22·10
3
÷1·10
6
3600÷7200
-60÷180
ММТ-1 1·10
3
÷220·10
3
2030÷4300
-60÷125
ММТ-6 10·10
3
÷100·10
3
2060÷4300
-60÷125
Илк бор
n
+
-n-n
+
-
структурали кремний асосидаги ҳарорат датчигини
ишлаб чиқиш технологияси ўз ичига ҳарорат ўсиб бориши режимида солиш
тирма қаршили 40
60 Ом·см бўлган
n
-типли кремний кристалига
никелни диффузия қилиш жараёнини, кимъёвий йўл билан никел ўтказилган
юзадан диффузия усули билан юқори лигерланган ўтказувчанлиги
n
+
-типли
соҳани шакллантириш ва 50 микронли қалай қатламини ўтказиш, ҳамда
кремний кристалларини 1 мм
2
дискрет элементларга кесиш ва ток ташувчи
симли чиқишларни ковшарлашларни олади.
Аналогдан фарқли равишда вакуумда термик тоблаш билан кремний
юзасига омик контактнинг адгезиясини яхшилаш, ҳарорат датчигининг икка ла
йўналишда параметрлари фарқланишини олдини олиб, ток характерис
тикаларининг чизиқлилигини таъминлайди.
Диссертациянинг «
Никел билан легирланган кремний асосида ҳаро
рат датчигини ишлаб чиқиш
» деб номланган учинчи бобида
n
+
-i-n
+
-струк
турали ҳароат датчикларининг база параметрларини танлаш асосланган,
уларга омик контактлар олиш жараёнлари, герметизациялаш, тайёрлаш тех
нологик маршрути, статистик ва динамик характеристикалари, ҳамда барқа
рорлиги келтирилган.
13
Ҳарорат датчиги, монокристал кремний асосида ҳароратга сезгир
i
-соҳа
ва электрик контактлар билан таъминланган бўлиб,
i
-соҳа иккита юқори
лигерланган
n
+
-сохалар орасида жойлашган, бунда
n
+
-соҳанинг ташқи қисми
никелланган ва омик контакт ҳосил қилади, никелланган ва электр чиқиш
симлари орасига қалай қатлами ўтқазилган.
Таклиф қилинаётган ҳарорат
датчигининг структураси 1-
расмда келтирилган, унинг
база сохаси юқориомлик 350
микронли кремнийдан ибо
рат. Унинг иккала юзасига
қалинлиги 2 микрон бўлган
юқори лигерланган
n
+
-тип
1 –
i-Si
; 2 –
n
+
-Si
; 3 –
Ni
; 4 –
Sn
Расм. 1. Таклиф қилинган
ҳарорат датчигининг
структураси
ли сохалар шакллантирил ган.
Уларнинг устидан эса кимёвий усул
билан 3 мик
ронли никел ўтқазилган.Чиқиш симларини улаш осон бўлиши учун никел
қатламининг устидан 50 микронли қалай ўтқазилган.
Ҳарорат датчигининг база соҳаси материали сифатида солиштирма
қаршилиги
=10÷100 Ом
⋅
см бўлган
n
-тип ўтказувчанлик монокристал крем
нийни танланганлиги унга киритилаётган никелнинг электроактив атомлари
концентрациясини ва ҳарорат ишчи диапазонини бошқариш имкониятидан
келиб чиқади (расм 2). Никелни кремнийга диффузия қилиш жараёни ҳа рорат
ошиб бориши режимида амалга оширилиб, ҳароратнинг охирги қий мати
оддий технологиянинг диффузия ҳароратига мос келади.
Яъни оддий технологияда ампулага
жойлаштирилган контрол намуна диф
фузия жараёни хароратига мўлжал
ланган қийматига чиққанда печга ки
ритилади, диффузия вақти эса 2 соат
давом эттирилади. Уларда никелнинг
электрактив концентрацияси ҳарорат
ошиши режимидагига намунага (2 -
чизиқ) нисбатан тахминан 7÷10 % кам
(1 - чизиқ) чиқади. Никелни ҳарорат
ошиб борувчи режимда диффузия қи
лишнинг афзаллиги шундаки ток та
шувчиларнинг керакли концентрация
сини олиш учун икки баробар кам вақт
сарфланади.
1- диффузиянинг ўсиб борувчи
режими 2-берилган ҳароратда
диффузия
Расм. 2. Электрактивной
концентрациянинг термик ишлов
бериш ҳароратига боғлиқлиги
Ҳисоблар бўйича диффузия коэффициенти D
Ni
=2,3·10
-3
exp(-0,47/kT)
см
2
/сга тенг бўлганда ва ҳарорат
Т
=(600
÷
900)
°
С атрофида бўлса, никел кон-
14
центрацияси N
Ni
=1,4·10
25
exp(-2,3/kT) см
-3
га тенг, яъни никелнинг эрув чанлиги
N
Ni
~
10
14
см
-3
га, диффузия коэффициенти
D
=(10
-4
÷
10
-7
) см
2
/с га тенг бўлиши
керак. У ҳолатда қалинлиги 1 мм бўлган намунани бир текисда лигерлаш учун
t=l
2
/D=(0/1)
2
/10
-7
=1000 сек (
t
=7 соат) вақт керак бўлар эди, бизнинг ҳолатда
эса диффузиянинг ҳамма технологик жараёни 3 соатни таш кил этади. Бунда
никел атомларининг ҳажмдаги концентрацияси
N
Ni
~
10
14
см
-3
га тенг бўлади,
яъни кутилганидан қўп.
Хулоса қилинганки, ҳарорат ошиши режимидаги диффузияда никел
нинг диффузияси узеллараро содир бўлади, киришма атомлари эса узеллар аро
жойлашади, чунки вакансиялар концентрацияси 10
7
см
-3
га тенг бўлиб,
узеллараро жойлашган никел атомларининг концентрациясидан 10
7
÷
10
8
даражага кам.
Ҳарорат датчигининг ўлчаш параметларига ёруғликнинг, намлик ва ҳаво
оқимининг оний сакрашлари каби ташқи факторлар таъсирини бартараф
қилиш учун ҳарорат датчикларига герметик сифатида қуйилувчи компаундлар
ишла тилди. Ҳарорат датчиги билан компаунднинг чизиқли кенгайиш
коэффици ентлари фарқи таъсирини йўқотиш учун компаундга тўйинтиргич
сифатида сурик-қўрғошинлик бўёқ киритилган. Тўйинтиргич компаунди
асоси қилиб мале инли ангидрид смоласи ЭД-20 ва қотиргич сифатида
триэтаноламин олинган. Малеинли ангидрид ва триэтаноламиннинг
танланиши шу билан асосланган ки. малеинли ангидрид узоқ ишлатилувчи ва
бошлангич ёпишқоқлиги кам компа унд олишга имкон беради.
Триэтаноламин технологик сифати унча яхши бўлмаса ҳам заҳарилиги
кам бўлгани учун танланган. Эпоксидли қуйилувчи Д-2 компаундининг ре
цепти 2 жадвалда келтирилган. Катта механик кучланишларнинг олдини олиш
нуқтаи назаридан полимеризациялаш жараёнида компаунднинг ўтири ши
катта аҳамиятга эга.
2-жадвал
Д-2 эпоксидли қуйилувчи компаундининг рецепти
Компаунд
арт
ли
бнл
гил
ар
Ш
таркиб, оғирлик қисмларда
Смола
Қотирувчи
Тўйинтаргич
ном
и
со
ни
но
ми
сон
и
ном
и
сони
Қуйилувчи Д-2 ЭД-20 100 ма
2,28К СС
1,5÷1,8г
Шунинг учун полимеризация жараёнида Т=80
о
С ҳароратда 4 соат давомида,
Т=120
о
С да 12 соат давомида, Т=140
о
С да 24 соат давомида ҳар хил ҳароратда
экзотермик қиздириш амалга оширилган. Натижада танланган эпоксид
смоланинг қотиш жараёнида механик кучлинишлар содир бўлишини
минималлаштиришга муваффақ бўлинди.
15
Керакли участкаларнинг номлари ва технологик жараёнлар кетма-кет
лигининг структурали таърифи ҳамда ҳарорат датчикларининг ишлаб чиқиш
жиҳозлари компенсирланган кремний асосида ҳарорат датчиги тайёрлаш тех
нологик маршрути сифатида расмийлаштирилган. Корректирловчи парал лель
ва кетма-кет уланган резисторлар ёрдамида ўлчагич параметрларини оп
тимизациялаш имкониятлари тажрибада олинган ва шу параметрлар билан
оптималлаштирилган схемадаги сезгирликнинг боғлиқлиги ўрнатилган, қай
сики хатоларни камайтириб ва ўлчаш аниқлигини оширишга имкон беради.
( )
R R
r
−
2
1 2
1
=
, (1)
K
ga
−
+
+
( )( )( )
T T R r R r
1
2 1 1 2 1
Бунда ўлчанилаётган ҳарорат назорат қилинаётган муҳитнинг шароити (газ,
суюқлик ва бошқа) билан аниқланилади ва сезиларсиз оғишларга эга бўлиб (3
жадвал), стационар ҳолатда эса ҳақиқий ҳароратни беради.
3-жадвал
Ҳарорат датчиги параметларининг ва характеристикаларининг
номиналь қийматлардан оғиши
Факторлар
ΔU
п/
U
п
ΔК
/
К
ΔR
/
R
Δβ
/
β
Ташқи мухит ҳарорати
0,06
0,05
0,01
0,001
Материалнинг чарчаши
0
0
0,1
0,01
Келтирилган хатолик
0,05
0,05
0,01
0,01
Ҳарорат датчигининг барқарорлиги доимий радликларга нисбатан дестабил
лаштирувчи факторларни ҳисобга олган ҳолда 1% дан кам хатоликда 0.966 ни
ташкил қилади
Δ
/
=
0,45
макс макс
S S
(2)
Δ
S
Δ
S
1
1
(3)
Р Ф
макс
макс
=
Ф Ф
( ) ( )
=
(
− −
=
− −
Ф
S
s
0,45
) (
0,45
) 0,966
Диссертациянинг тўртинчи боби
«Ҳарорат датчикларининг характе
ристик параметрларини ўрганиш»
деб номланиб, ишлаб чиқилган ҳарорат
датчикларининг характеристикаларини ва параметрларини тадқиқот қилиш
усуллари, электрик ва асосий характеристик параметрларини ҳамда уларнинг
ишчи характеристикаларига вибрация ва γ –нурланишининг таъсирини ўрга
нишга бағишланган.
Ҳарорат датчикларининг асосий характеристикалари – ҳарорат сезгир лиги
коэффициенти ва қаршиликнинг ҳарорат коэффициенти, ҳарорат ўлчаш
диапазони, тезкорлиги стандарт экспериментал қурилмада ўлчанган. Ўлчаш
лар ишчи камерада ҳароратни сувнинг термостатдан кириш қадамини 2÷3˚С
минутига ошириш йўли билан ва минус ҳароратлар эса суюқ азот ёрдамида
ҳосил қилиб олиб борилган. Ўлчанган ва ҳисоблаб чиқилган натижалар асо
сида ҳарорат датчигининг солиштирма қаршилиги орқали 10% аниқликда бе
рилувчи Ферми сатҳи жойлашиш чуқурлигининг ҳарорат сезгирлиги коэф-
16
фициенти билан боғлиқлиги ўрнатилган. Яъни қанчалик Ферми сатҳи тақиқ
ланган зонанинг ўртасига яқин бўлса ҳарорат сезгирлик коэффициенти шун
чалик юқори бўлади, 3 расм.
3 - расм. Компенсирланган
p
- ва
n
-тип
ўтказувчанликли кремнийда
ҳарорат сезгирлиги
коэффициентининг Ферми сатҳи
жойлашиши чуқурлигига
боғлиқлиги
1- аниқ; 2- таклиф қилинаётган
4 -расм. Ҳарорат датчигининг
вольтампер характеристикаси
Тажрибада кўрсатилганки, таклиф қилинган ҳарорат датчиклари ана
логларга нисбатан иккала йўналишда тўғри чизиқли вольтампер харак
теристикага эга (4 - расм), қайсики ҳароратнинг ҳамма қийматларида бир хил
ҳарорат сезгирлигига эга (5 - расм).
а)
манфий ҳароратларда б) мусбат ҳароратларда
5 - расм. Никел билан легирлангавн ҳарорат датчиги
қаршилигининг ҳарорат билан боғлиқлиги
Ҳарорат датчикларини герметизация қилиш уларнинг вольтампер ха
рактеристикасига ёруғлик нурининг ва атмосфера оқимининг импульсли теб
ранишлари таъсирини бартараф қилиб, кам кучланишларда чиқиш характе
ристикаларини стабиллаштиради (6-расм), база соҳаси солиштирма қарши
лигининг юқори қийматлилиги ўлчаш хатолигини камайтириб уловчи кабел
қаршилиги таъсирини бартараф қилишга олиб келади.
17
6 - расм.
Солиштирма қаршилиги
=10
5
Ом∙см бўлган n-Si<S>
асосидаги ҳарорат
датчигининг вольтампре
характеристикаси (Т=300 К)
1 - герметизациясиз;
2 – герметизация билан
Ишлаб чиқилган ҳарорат датчикларининг (1х1х0,5 мм
3
) бошқа устун лиги
шундаки, уларнинг база соҳаси солиштирма қаршилигининг ошиб бори ши
билан ҳарорат сезгирлиги ва ишчи диапазони кенгайиб боради, 4 жадвал.
4-
жадвал
Никел нанокластерили ҳарорат датчикларининг параметрлари
ρ
, Ом
⋅
см
3∙10
2
3∙10
3
2∙10
4
10
5
6∙10
5
В, K
4600
6250
7000
7200
7300
Т,
0
С
-60÷120
-60÷130
-70÷140
-80÷150
-100÷160
Ишлаб чиқилган яримўтказгичли ҳарорат датчикларининг асосий ха
рактеристикаларини бор аналогларникига (КМТ-1, ММТ-1, ММТ-6, СТ6) (5 -
жадвал) солиштирув анализи натижаси шуни кўрсатдики, солиштирма қар
шилиги, ҳарорат диапазони, ҳарорат сезгирлиги ва вақт диомийлиги кўрсат
гичлари бўйича ишлаб чиқилган ҳарорат датчиклари яхши кўрсатгичларга
эга.
5 - жадвал
Ишлаб чиқилган ҳарорат датчикларининг*
солиштирув ишчи характеристикалари
Ҳарорат
датчиги типи
Солиштирма
қаршилиги,
Ом
Ўлчаш
ҳарорати
диапазони,
о
С
Ҳарорат
сезгирлиги, В
Вақт
доимий лиги,
сек
Si<P,Ni> 3·10
2
÷1·10
6
-80÷150 4600÷7200 5 КМТ-1
22·10
3
÷1·10
6
-60÷180 3600÷7200 85 ММТ-1
1·10
3
÷220·10
3
-60÷125 2030÷4300 85 ММТ-6
10·10
3
÷100·10
3
-60÷125 2060÷4300 35
СТ3-6 6,8·10
3
÷8,2·10
3
-90÷125 1200÷2400 35 p-i-n диод
1,2·10
3
÷6·10
3
-60÷150
2.3 мВ·К
-1
12
*Агар ишлаб чиқилган ҳарорат датчиги
иссиқлик ўтказувчан шароитда ишласа, масалан, суюқликда, унда вақт
доимийлиги камаяди
Кремний асосидаги контрол намунадан фарқли ишлаб чиқилган ҳа
рорат датчикларининг солиштирма қаршилиги радиация таъсири дозаси 10
9
Р
гача кенг диапазондаги ташувчилар концентрациясида (10
16
÷10
17
см
-3
) ёки со-
18
лиштирма қаршилиги 0.1÷1.0 Ом∙см атрофида бўлганда озгина ўзгариб, яшаш
вақти камаяди ва тезкорлиги (5
÷
7 сек.) ошишига олиб келади, расм 7.
а) б)
1-N=5∙10
17
см
3
; 2-N=10
7
см
3
; 3-N=6∙10
16
см
3
никел концентрацияси
ҳар ҳил намуналар Si<Ni>; 4-тажрибавий намуна
7 - расм. γ-нурланиши таъсирида солиштирма қаршиликнинг (а) ва ток
ташувчилар яшаш вақтининг (б) нисбатан ўзгариши
Омик қаршилиги анча юқори (1
÷
5)10
5
Ом ёки солиштирма қаршилиги ρ~10
Ом∙смли ҳарорат датчиклари учун нурланиш дозаси Ф=10
8
Р гача ҳаро рат
сезгирлиги коэффициенти(В) ва тезкорлиги нисбатан ўзгармай, кейин чалик
доза ошиши билан бу параметрларнинг ёмонлишиши кузатилаяпти. Катта
дозаларда Ф >10
8
Р ҳарорат датчикларининг параметлари ва гермети зация
ҳолати аста-секин ёмонлашади, ҳамда нурланиш дозаси Ф~ 10
9
Р дан
ошгандан сўнг ҳамма параметрлари 25
÷
30% га ёмонлашади (8- расм).
а)
қаршиликнинг ўзгариши б) ҳарорат сезгирлиги коэффициенти
8 – расм. Ҳарорат
датчикларининг параметрларига гамма нурларининг таъсири
Атом киришмалари концентрацияси қанчалик кам бўлса, у ҳарорат
датчигининг қаршилиги шунчалик катта бўлади ва радиацияга чидамлилиги
ортади. Бунда ушбу дозалар интервалида датчикларнинг барқарорлиги ва
электрик контактларининг омиклиги амалда ўзгармайди. Ишлаб чиқилган
ҳарорат датчикларининг асосий параметрларига ва герметизация ҳолатига ра
диация дозасининг таъсири 6- жадвалда келтирилган.
Никел атомлари нанокластерили кремний асосидаги ишлаб чиқилган
19
6 - жадвал
Si<P,Ni> асосидаги ҳарорат датчикларининг эксплуатацион параметрларига
ва герметизация ҳолатига γ радиациясининг (Co
60
) таъсири
Нурланиш дозаси, Р
тик
лан
иш
вақт
и
Сез
гир
лиг
и ва
10
5
10
6
10
7
5∙10
7
10
8
5∙10
8
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
6800
7000
7200
5÷7
5÷7
5÷7
6800
7000
7200
5÷7
5÷7
5÷7
6750
6950
7150
5÷7
5÷7
5÷7
6700
6900
7100
5÷7
5÷7
5÷7
6650
6850
7050
5÷7
5÷7
5÷7
6600
6800
7000
5÷7
5÷7
5÷7
Ҳ
ол
ат
и
ўзгариш
йўқ
ўзгариш
йўқ
ўзгариш
йўқ
ўзгариш
йўқ
бузилиш
батамом
бузилиш
ҳарорат датчиклари на фақат юқори сезгирлик ва тезкорликка эга, аммо ле кин
етарли радиацияга бардошлилик ва юқори радиация таъсирида ҳам иш
латилиши мумкин. Бир пайтда катта радиацион дозаларда ҳарорат сезгир
лигининг ошиши оддий ва радиацион таъсирдаги ҳар хил объектларнинг ҳа
роратини дистанцион назорат қилишга мўлжалланган ҳарорат датчикларини
яратиш имкониятини очиб беради.
Диссертациянинг бешинчи боби «
Ҳарорат датчиги асосида ҳароратни
ўлчагич ўзгартгичларни ишлаб чиқиш
»га бағишланиб, ўлчагич ўзгартгич
ларнинг асосий параметрларини тадқиқот қилиш, уларнинг сезгирлиги кри
терийсини, статистик характиристикаларининг чизиқлилиги ва аниқлигини
ҳисобга олган холда структуравий ва параметрик лойихалаш ҳамда ўлчагич
ўзгартгич асосида беш каналлик асбобни ишлаб чиқиш, ўлчагич ўзгарт
гичнинг хатолари манбаларини тадқиқот қилиш ва уларни компенсациялаш
услубини ишлаб чиқаришга бағишланган.
Ҳарорат датчигининг қаршилиги ва сезгирлигига қараб, улар бўлувчи
резисторлар билан, мост ёки икки ҳарорат датчиклари схемаси билан ула нади.
Бўлувчи ўлчагич схема учун чиқиш кучланиши (U
чиқ
,) қуйилаги фор мула
билан аниқланади:
R
U Uп
T
1
=
. (4)
чик
+
R R
T
1 2
Ҳарорат ўзгарганда ўлчагич ўзгартгичнинг қаршилиги (R
T1
) R
T1
ε
1
қийматига ўзгаради ва қуйидагига тенг бўлади
R
T1
(1+ε
1
),
бу ерда ε=ΔR
g
/R
g
чиқиш кучланиши эса
K
1
U
вых
U
п п
+
+
=
(5)
−
U
( 1) ( 1 )
1
K
+
K K
20
ифода билан аниқланади.
Бу ерда К=R
T1
/R
2
схеманинг симетриклик коэффициенти ёки
соддалаштирилганда
(6)
=
KK
1
формула
ўринли.
U
вых
U
п
(
+
1)
2
Мост ўлчагич схемаси учун К=R
T1
/R
2
= R
3
/R
4
ларни ҳисобга олиб
K
1
U
вых
U
п
+
+
+
=
(7)
( 1)( 1 )
1
K K K
га эришамиз ёки мостли ўлчагич схеманинг қарама-қарши елкаларига иккита
ҳарорат датчигини улаганда унинг сезгирлиги анча ошади ва чиқиш кучлани
ши ушбу формула орқали ҳисобланади:
=
KK
+
U
вых
U
п
(8)
( )
( 1)
2
1 2
+
Ишлаб чиқилган яримўтказгичли ҳарорат датчиги учун юкори темпера
туранинг чегараси, чиқиш симларини пайка қилувчи, ковшарлагичнинг (ПОС
61) эриш температураси (180
о
С) билан аниқланади. Ишлаб чиқилган ҳарорат
датчикларининг сезгирлиги ҳамма ишчи ҳарорат диапазонида вольтампер ха
рактеристикасининг симметрик бўлганлиги учун ўзгармас ҳолда сақланади.
Уларни қўллаш сезгирлигига, аниқлигига ва тезкорлигига қўйилган талаблар
билан аниқланади. Бунинг учун ҳарорат датчигининг маълум шаклини, чи қиш
симларининг типини, қоплагич материалини ва улаш схемасини танлаш керак,
бизнинг ҳолатда ҳар бири бешта позициядан иборат. Таклиф қилина ётган
компоновканинг мисоли тариқасида датчик кўринишининг танланиши
7-жадвалда келтирилган.
Бу элементларни маълум компоновка қилиш натижасида ўлчагич ўз
гартгичнинг янги структуравий композицияси олинади. Ўлчагич ўзгартгич
нинг ҳамма келтирилган вариантлари сифат критерийси бўйича: сезгирлиги,
нархи, барқарорлиги, аниқлиги, чизиқлилиги, ҳарорат ўлчаш диапазони, қув
ват исрофи, тезкорлиги, тежамкорлиги ва оғирлиги нуқтаи назаридан муво
фиқлаштирилган. Сезгирлик бўйича ўлчагич ўзгартгичнинг конструкция
компоновкасининг мисоли 9а расмда келтирилган, қайсики компоновкаловчи
7 - жадвалнинг қуйидаги элементларидан иборат: 1.3– 2.1 –3.4 – 4.1. Ўлчагич
ўзгартгичнинг энг барқарор конструкцияси схемаси 9б расмда келтирилган,
1.3 – 2.1 – 3.4 – 4.5 композиция тўғри келади.
Ўлчагич ўзгартгични параметрик лойихалаш йўли билан корректир
ловчи қаршиликларнинг ишчи кучланишининг оптимал параметрлари интер
валлари топилган:
а
1
=Uп=1÷10В, а
2
=К=R
1
/R
2
=0.1÷2, а
3
=R=10÷160Ком, а
4
=β=0.2÷6%,
a={a
1
, a
2
, a
3
, a
4
}, (9)
21
7 - жадвал
Ўлчагич ўзгартгичнинг компоновкалаш таркиби
1. Датчикнинг кўриниши
1.1.Цилиндрик
1.2.Шар шаклли
1.3.Кубик
3
1
2 1
1
1
4
2
2 2
2
2
3
3
1 3
1
3
3
4
1 4
1
4
3
5
5 5
1
5
3
6
1 6
1
6
3
7
5 7
2
7
4
8
1 8
1
8
1 9
1 9
1
9
4
1
0
2 10
1
10
1.4.Стерженли
1.5.Юпқа пленка
Сифат кўрсагичи
2
1
4 1 Сезгирлиги
1
3
2
1 2 Нархи
2
2
3
5 3 Барқарорлиги
3
2
4
5 4 Аниқлиги
4
2
5
1 5 Чизиқлилиги
5
2
6
5 6 Диапазони
6
4
7
1 7 Қувват исрофи Вт 7
3
8
2 8 Тезкорлиги
8
1 9
1 9 Экологиклиги
9
3
1
0
1 10 Оғирлиги
10
бу ерда
;
а
=
;
а
2
=
К
;
а
3
=
R
а
4
=
,
1
U
n
танланган структура учун статистик характеристикасининг чизиқлилиги ва
сезгирлиги критерие бўйича ўлчагич ўзгартгични лойиҳалаш билан, яъни
ўлчагич ўзгартгичнинг статистик характеристикасини ушбу кўринишда қа бул
қилиб
=
KK
⋅
(10)
U
вых
U
n
(
+
1)
2
а) бўлувчи харорат резисторига б) микропроцессорли қурилмага
9 - расм. Ўлчагич ўзгартгични схемага уланиши
22
Гаусс-Зaйдел методи орқали оптималлаштириш ҳисобига ўлчагич ўзгартгич
нинг қуйидаги оптимал параметрлари топилган:
а
1
=U
п
=6В, а
2
=К=1.4, а
3
=R
g
=110Ком, а
4
=β=5.8%.
Талаб қилинаётган сезгирлик, статистик характеристикаларнинг чизиқ
лилиги, аниқлиги ва тезкорлиги соҳаси аниқланиб, ҳароратни ўлчаш учун
янги авлод микропроцессорли асбобнинг мукаммаллаштирилган варианти
ишлаб чиқилган (10 – расм), у ўз ичига кириш кучайтиргичининг блок
схемасини, ток генератори узелини, манба узелини ва микроконтроллер би лан
сонли қисмини, қайсики юза ҳарорати тўғрисида, ўлчаш муҳити, объект нинг
ўзидаги ҳарорат тўғрисида ҳамда уни ўлчашнинг динамикаси тўғрисида аниқ
оператив берилганларни олишга имкон берган.
Асбобнинг структурасига асбобни бошқариш программасининг келти
рилган бўлакли программа коди, қайсики функционаллик томондан анча
муҳим ролга эга ва схемани осон қабул қилиш учун асбобнинг структуравий
схемасида айрим блоклар сифатида келтиришни шартловчи элементлар ҳам
киритилган.
Д-ҳарорат датчиги ўлчовчи схема билан; К
i
-контроллерлар (i=1÷5); У- кучайтиргач; Ф
фильтрлар; К-контроллер; ИОН-таянч кучланиш манбаи; ОЗУ-оператив хотира қурилмаси;
АЦП-сонли-аналогли ўзгартгич; ЦП-сонли ўзгартгич; ИП-таминловчи манба; МС-магистрал
система; ГИТ-ўлчагич токи генератори; РЭ-ишчи эталонлар; ЭСППЗУ ПО- программани
таъминловчи электрик ўчирилувчи программа-лаштирилувчи доимий хотираловчи қурилма;
ЭСППЗУ БД ва К-электрик ўчирилувчи программалаштирилувчи доимий хотираловчи
қурилманинг конфигурациялари ва берилган буферлари
10 - расм. Ўлчагич асбобнинг структуравий схемаси
Микропроцессорли ҳароратни ўлчагичнинг техник характеристикалари
8 – жадвалда келтирилган.
Ишлаб чиқилган ўлчагич асбобнинг стабил ва узлуксиз ишлашини
23
8-жадвал
Янги авлод микропроцессорли асбобнинг
техник характеристикаси
Ўлчов каналлари сони
5
Ҳарорат ўлчаш диапазони,
0
С
-50, +200
Датчиклар типи
Ҳарорат датчиги
Si<Р,Ni >
Аниқлик чегараси, °С
0,2; 1;2
Ўртача ишдан чиқиш вақти, соат
3000 дан кам эмас
Ишчи режимига чиқиш вақти, сек
3 дан кўп эмас
Корпусининг габарит ўлчамлари, мм
96 х 50 х 110
Массаси, кг
0,4 дан кўп эмас
Ўртача ишлаш даври, йил
10
Курсатгачлар индикацияси
ёғду диодли
дисплейда, ШК
Хамма каналларни мулоқот қилиш даври, с
8
Таъминланган программаси
Windows
Эксплуатация қилиш максимал ҳарорати, °С
-10+50
Атмосфера босими, кПа
80-107
35 °Сдаги нисбий намлиги
80
%
Ҳатоси
±(0,4% Тўлч. + 1 К)
1
Қайтарувчанлиги
±(0,4% Тўлч. + 1 К)
1
Аниқлиги
1°С
0 °С дан 100 °С оралигидаги ҳароратни ўлчашдаги асосий
хатоси, °С
± 0,05
Пределы допускаемой погрешности в диапазонах температур
от
-50 °С дан 0 °С ва 100 °С дан 200 °С гача МТҚда харорат
датчиги ишлатилгандаги ўлчаш хатоси, °С
± 0,1
Атрофдаги ҳарорат (20 ± 5) °Сдан ўзгарганда температурани
МТҚ ишлатилгандаги 0 °С дан 100 °С ўлчагандаги қўшимча
мумкин бўлган хатоси, °С
± 0,05
аниқлаш учун унинг хатосини баҳолаш ва камайтириш йўллари кўриб чи
қилган. Хусусан, статистик характеристикаларнинг ночизиқлигидан ҳосил
бўладиган хатоликни камайтириш учун ҳарорат диапазонини торайтириш,
диапазон бошланишини силжитиш ва микропроцессорлар ёрдамида ночи
зиқликни корректорлаш кўзда тутилган. Бунда хатоликнинг максимал қий мати
миқдоран қуйилаги формула орқали аниқланувчи ночизиқликнинг дара жасига
тенг:
U U
−
=
(11)
выхнл вхнл
0.5 100%
нл
U U
−
выхмахс вхмин
бу ерда U
выхнл
, U
вхнл
- ўлчагич ўзгартгич чиқиш сигналининг ночизиқ ва чи
зиқли қийматлари, ўлчагич ўзгартгичнинг динамик хатолари билан боғлиқ
хатолар эса абсолют кўриришда
Δ
(
)
=
(
)
−
(
→ ∞
)
А
U
вых
U
вых
U
вых
(12)
24
ёки солиштирма динамик
хатосини
Δ
=
U U
( ) ( )
− → ∞
вых вых
U
(13)
( )
→ ∞
100%
отн вых
U
вых
( )
иссиқлик инерциясини камайтирувчи конструкцияни танлаш ҳисобига ҳамда
қурилмага электрик корректировка киритиш йўли билан камайтириш таклиф
қилинади.
Операцион кучайтиргич ёрдамида корректирловчи тескари боғлиқлик ни
схемага киритиш ўтиш вақти жараёнини бир даражага камайтиришга олиб
келиши тажрибада кўрсатилган, 12, 13 – расм. Биз ишлаб чиққан технология
ёрдамида аниқлиги ±0,2 °С ёки ±0,1 °С бўлган 0÷100 °С ораликда ва -60 °С и
+150 °С сохасида аниқлиги камроқ стандартизациялашган ҳарорат датчик лари
тайёрлаш мумкин. Ишлаб чиқилган технология асосида тайёрланган ҳарорат
датчикларининг номиналлари: 100÷500 Ом; 1÷300 килоом и 1 мега омни
ташкил қилади Улар орасида катта номиналли ҳарорат датчиклари ўза ро
алмашинувчан ишлаб чиқувчининг ҳар хил талабларни қондирувчи ва
қаршиликларининг фарқи ±5% дан кўп эмас.
1-коррекциясиз; 2- тескари боғланишли
11 - расм. Тескари боғланишли
ўлчагич ўзгартгичнинг динамик
хатосини коррекциялаш схемаси
Рис. 12 -расм. Ўлчагич
ўзгартгичли ҳарорат датчигида
ўтиш жараёнлари
Яримўтказгичли харорат датчиклари партияси тайёрланганда 1000 та
сининг орасида номинал қаршиликлар фарқи ±5% дан ошмади.
Иловада
ўлчаш методикаси, статистик ишланма ва ўлчагич асбобнинг бошқариш
алгоритмини таъминлов программаси келтирилган ҳамда прог рамма асосий
файлининг листинги тайёрланган.
ХУЛОСА
«Кремний асосида никел атоми нанокластерили термодатчикни ишлаб
чиқиш ва уни тайёрлаш технологияси» мавзусидаги докторлик диссерта цияси
бўйича олиб борилган тадқиқотлар натижасида қуйидаги хулосалар тақдим
этилди:
25
1. Кремнийга никел диффузияси жараёнининг янги усули таклиф
қилинган, унга кўра кремний хажмида никел атомлари нанокластерларини
хосил бўлишини таъминловчи диффузия жараёни температура 600÷1250
o
С
оралигида 5÷10 градус/минут тезликда ошириб борилганда ўтказилиши
кераклиги таклиф қилинган.
2. Ҳажмига никел диффузия қилинган кремний юзасига адгезияси
яхшиланган омик контакт олиш учун никел металининг юпқа (3 мкм) қат
ламини кимёвий усул билан ўтказиб ҳамда 650 градус Цельсийда 10 минут
давомида тоблаш жараёни амалга оширилган.
3. Илк бор никел нанокластерили кремний асосида сезгирлиги юқори
(7800 К) ва чиқиш характеристикалари стабиллашган ҳарорат датчиги тай
ёрлаш принциплари асосида уни ишлаб чиқиш технологиясининг маршрути
таклиф қилинган.
4. Никел билан легирланган кремнийли ҳарорат датчикларнинг
солиштирма қаршилиги 10
6
рентген дозали гамма радиацияси таъсирида
ўзгармаслиги, радиация дозасини эса 10
8
рентгангача оширилиши билан
ҳарорат сезгирлиги коэффициенти 10% га ошиб бориши кўрсатилган.
5. Талаб қилинаётган факторга қараб (сезгирлиги, нархи, аниқлиги ва
ҳ.к.) компьютер йўли билан моделлаштириш асосида датчикнинг шаклини,
контакт чиқишларини, ҳимоялаш қатламини ва ўлчовчи схемасини танлаш
имконини берувчи ўлчагич ўзгартгични структурали параметрик лойиҳалаш
усули таклиф қилинган.
6. Электрон схемада датчикнинг максимал сезгирлиги соҳасини аниқ
лаш имконини берувчи, ҳарорат датчиги сезгирлиги ва ўлчовчи параметр
ларини мувофиқлаштирувчи қаршиликлар орасидаги ўзаро боғлиқлик ўрна
тилган.
7. Ҳарорат датчикларининг статистик характеристикалари ночизиқлиги
ва иссиқлик инерционлиги билан характерланувчи хатоликларни 10% дан 2%
гача камайтириш корректирловчи қаршиликларни ва керакли чегаравий
ҳарорат интервалини танлаш йўли билан амалга оширилиши мумкинлиги
аниқланган.
26
НАУЧНЫЙ СОВЕТ ПО ПРИСУЖДЕНИЮ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ
ДОКТОРА НАУК 16.07.2013.FM/T.12.01 ПРИ ФИЗИКО
ТЕХНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ И САМАРКАНДСКОМ
ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ
_________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______
______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __ _________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___
ТАШКЕНТСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
НАСРИДДИНОВ САЙФИЛЛО САИДОВИЧ
РАЗРАБОТКА ТЕРМОДАТЧИКА НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ
С НАНОКЛАСТЕРАМИ АТОМОВ НИКЕЛЯ
И ТЕХНОЛОГИИ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
01.04.10 – Физика полупроводников (технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ ДОКТОРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ
Ташкент – 2016 год
27
Тема докторской диссертации зарегистрирована в Высшей аттестационной комиссии
при Кабинете Министров Республики Узбекистан, за 28.04.2016/ В.2016.2Т.323
Докторская диссертация выполнена в Ташкентском государственном техническом
университете.
Автореферат диссертации на трех языках (узбекский, русский, английский) размещен на
веб-странице Научного совета по адресу fti-kengash.uz и Информационно-образовательном
портале “ZiyoNet” по адресу www. ziyonet.uz
Научный консультант: Эгамбердиев Бахром Эгамбердиевич
доктор физико-математических наук, профессор
Официальные оппоненты
:
Муминов Рамизулла Абдуллаевич
доктор физико-математических наук, академик АН РУз
Абдукадиров Мухитдин Абдурашитович
доктор технических наук, профессор
Алиев Райимжон
доктор технических наук, профессор
Ведущая организация: Ферганский политехнический институт
Защита состоится «____»_____________2016 г. в ____часов на заседании научного совета
16.07.2013.FM/T.12.01 при Физико-техническом институте и Самаркандском государственном
университете по адресу: 100084, г.Ташкент, ул. Бодомзор йули - 2б. Тел./Факс: (+99871) 235-42-91,
e-mail:
lutp@uzsci.net
.
Докторская диссертация зарегистрирована в Информационно-ресурсном центре Физико
технического института, за № 04, с которой можно ознакомиться в ИРЦ по адресу: 100084,
г.Ташкент, ул. Бодомзор йули - 2б. Тел./Факс: (+99871) 235-30-41.
Автореферат диссертации разослан «___»______________2016 года
(протокол рассылки ___от ____________2016 г.).
С.Л. Лутпуллаев
Председатель научного совета по присуждению
учёной степени доктора наук, д.ф.-м.н., профессор
А.В.Каримов
Учёный секретарь одноразового научного совета
по присуждению учёной степени доктора наук, д.т.н.
И.Г. Атабаев
Председатель одноразового научного семинара при Научном совете
по присуждению учёной степени доктора наук, д.ф.-м.н., профессор
28
Введение (аннотация докторской диссертации)
Актуальность и востребованность темы диссертации.
В настоящее время
одним из важных физико-технологических проблем в динамично
развивающемся направлении электронно-вычислительной и информацион ной
техники является разработка датчиков температуры с улучшенными
функциональными характеристиками на основе модифицированных полу
проводников, в частности, с нанокластерами, используемых для диагностики
различных параметров и процессов в промышленности, на атомных реак
торах, научных исследованиях и в других областях народного хозяйства.
Исследование взаимосвязи электрофизических параметров активной
области кремниевых терморезисторов содержащих нанокластерные включе
ния различных атомов с их эксплуатационными параметрами, позволяют
раскрыть их ранее неизвестные новые технические решения. Усовершенст
вование активной области, увеличение чувствительности и решение проблем
снижения разброса параметров, а также разработка технологии изготовления
нового поколения термодатчиков на основе материалов с нанокластерами
обеспечивающих измерение температуры при различных условиях контроля
является важным направлением исследований.
Применение в устройствах и системах контроля параметров промыш
ленных объектов термодатчиков входящих в класс полупроводниковых
приборов на основе материалов с нанокластерами требует исследования пу тей
повышения их чувствительности и схем включения. Поэтому исследо вания,
проводимые по диффузионным процессам различных нановключений, а
также влияния на свойства терморезисторов нанокластерных включений,
направленных на оптимизацию функциональных параметров терморезис
торов являются актуальными.
Данное исследование направлено на создание нового способа диф фузии
обеспечивающего формирование нановключений, а также выбору параметров
материала базы и разработке путей получения контактов с улучшенной
адгезией, что в совокупности направлено на изготовление термодатчиков со
стабильными параметрами. Необходимость улучшения функциональных
характеристик таких термодатчиков, разработка экономич ной технологии их
изготовления и создание технологического маршрута этой технологии имеет
важное научно-практическое значение.
Настоящая диссертация в определенной степени служит выполнению
задач по повышению конкурентоспособности изделий электронной техники
отмеченных в постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О
приоритетах развития промышленности республики Узбекистан в 2011 - 2015
годах» от 15 декабря 2010 года, а также в других нормативно-правовых
документах, принятых в данной сфере.
Соответствие исследования приоритетным направлениям разви тия
науки и технологий республики.
Диссертация выполнена в соответствии с
приоритетными направлениями развития науки и техноло гий Республики
Узбекистан III «Энергетика, энерго- ресурсосбережение,
29
транспорт, машино- и приборостроение; развитие современной электроники,
микроэлектроники, фотоники, электронного приборостроения».
Обзор
международных научных исследований по теме диссерта ции
1
.
Исследования вопросов теории и практики термометрии ведутся в ведущих
центрах и университетах, в том числе, американскими учёными Ф. Мейзда и
А.А. Volinsky, а также китайскими исследователями M. Shao и N. Zhano.
Обращают внимания работы ученых В.В. Сахина, А.А. Шехурдина по
применению микропроцессоров в устройствах измерения температуры, а
известными фирмами, такими как Hewlett-Packard (Англия), Analog Devices
(США) и Oméga (Германия) ведутся разработки термодатчиков и устройств
различного назначения.
В мировом масштабе в области изготовления измерителей температуры
на основе различных полупроводниковых материалов получены ряд научных
и практических результатов, в том числе, в фирмах Volvo, Siemens (Герма ния),
Philips (Нидерланды), ITT Components Group (Великобритания) изготовлены
кремниевые термодатчики с положительным температурным коэффициентом,
а в предприятии Rodan Industries Inc, Texas Instruments (США) развита
технология изготовления термодатчиков, предназначенных для различных
целей.
В настоящее время получены научные и практические результаты по
разработке термодатчиков сравнительно дешевой технологией на основе
кремния с оптимальными параметрами и отвечающих современным требова
ниям по чувствительности, замещающих интегральные датчики, предназ
наченные для управления традиционными технологическими процессами, а
также по расширению их функциональных свойств.
Степень изученности проблемы.
До сегодняшнего дня
з
начительный
вклад в развитие теории и практики термочувствительных элементов внесли
ряд ученых, в том числе: В.С. Громов, Н.П. Удалов, А.И. Кривоносов, Ю.В.
Зайцев, И.Л. Ротберт, И.Т. Шефтель и Г. Виглеб. Они способствовали попол
нению рынка различных датчиков температуры, включая измерительно
преобразовательные устройства на различный диапазон температур. Однако
полупроводниковым термодатчикам свойственен узкий температурный диа
пазон и неспособность работы в экстремальных условиях. Поэтому создание
нового поколения термодатчиков и измерительных преобразователей регис
трирующих температуру в широком диапазоне и сохраняющих стабильность
параметров в жестких условиях эксплуатации является востребованной и
определяет предъявляемые к ним требования.
1
Обзор международных научных исследований по теме диссертации проведен на основе Мейзда Ф. /
Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. – С.250-335. Alex
A. Volinsky and Lev Ginzbursky. / Irradiated cubic single crystal SiC as a high temperature sensor. 2003 Materials
Research Society Fall Meeting. С. 273-278. Zhano N, Fu HW, Shao M, Li HD, Liu YG, Qiao XG. Research on high
sensitivity temperature sensor based on Mach-Zehnder interferometer with waist-enlarged fiber bitapers. // Guang
Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi. 2014 Jun;34(6):1722-6. Сахин В.В., Шалимов В.П. Теплопередача // БГТУ, СПб.
2003. С. 120-135. Шехурдин А.А. Использование оптоэлектронных систем с кварцевыми монолитными
световодами в АСУ ТП промышленных печей // Автоматизация в промышленности. 2007. №4. С.23-24 и
других источников.
30
На современном этапе большое внимание уделяется развитию цифровой
техники и средств электронных коммуникаций, где требуются датчики с
цифровым выходным сигналом. Известные учёные, как Э.И. Цветков и А.М.
Мелик-Шахназаров исследовали вопросы применения микропроцессоров в
устройствах измерения температуры. Ю.В. Гуляевым предложены новые
принципы построения датчика, на основе поверхностных акустических волн,
используемых при изготовлении пассивных датчиков температуры с
рекордной чувствительностью по сравнению с известными аналогами. В этом
аспекте следует отметить, что оптимизация параметров датчиков температуры
взаимосвязана с исходным материалом и технологией его изготовления.
Традиционные диффузионные методы, используемые для
получения
термодатчиков на основе кремния, исчерпали свои возможности, создание
новой технологии формирования нановключений, нанокомплексов
и
нанокластеров в матрице полупроводника весьма перспективно. В этом
направлении ученые Узбекистана, в частности, школа М.К. Бахадирханова
создав новый способ диффузии переходных металлов, внесла свой вклад в
усовершенствование технологии получения нанокластерных материалов,
которая может служить основой технологии для создания датчиков
температуры с высокой (выше 120 ºС) рабочей температурой и чувствии
тельностью. Школой М.С. Юнусова совместно с рядом ученых создана
технология терморадиационного легирования кремния и основано направ
ление радиационной физики полупроводников, а группой профессора Б.Э.
Эгамбердиева развиты принципы создания многоканальных измерительных
преобразователей температуры на основе термодатчиков.
Из вышеизложенного следует, что требуют своего решения проблемы
разработки физико-технологических аспектов формирования структур с
нановключениями на основе кремния и совершенствование диффузионных
процессов обеспечивающих управляемое встраивание примесей в матрицу
кремния, направленных на интегральный выбор конструкции датчиков
температуры, а также получению оптимального сочетания их параметров с
технологическими процессами, вместе с тем проблемы обеспечения
стабильности их параметров имеют научно-практическое значение.
Связь темы диссертации с научно-исследовательскими работами
высшего учебного заведения, в котором выполнена диссертация.
Диссертация выполнено в рамках плана научно-исследовательских работ
прикладных проектов в рамках Государственной программы по теме П-10.19
«Разработка и создание принципиально нового класса датчиков физии ческих
величин (температуры, магнитного поля, давления, ИК излучения, влажности,
радиации)» (2010-2012), ИД6-022 «Разработка многоканального прибора для
дистанционного контроля температуры сельхозпродуктов» (2008-2010гг.).
Целью исследования
является развитие диффузионной технологии
получения высокочувствительных датчиков температуры с нанокластерами
никеля и разработка на их основе управляющих температурные процессы
комплекса термодатчиков и устройств со стабильными параметрами и
31
устойчивых к различным видам воздействий для систем контроля темпера
туры объектов.
Задачи исследования:
разработать способ диффузии никеля с упорядоченно встраиваемыми
нанокластерами в кремний;
реализовать технологию получения сильнолегированной области для
омических контактов к кремниевым структурам;
разработать технологический маршрут изготовления термодатчиков на
основе компенсированного кремния с нанокластерами;
изучить влияние радиационного воздействия на рабочие характерис тики
термодатчиков на основе кремния, легированного никелем; выбрать
конкурентоспособное устройство по различным показаниям в качестве
датчика с учетом особенностей искомых включений; провести оценку и
компенсацию погрешности измерительного устрой ства температуры на
основе термодатчика.
Объектом исследования
являются впервые полученные кремниевые
n
+
-n-n
+
-
структуры с нановключениями, изготавливаемые диффузионной тех
нологией и измерительные преобразователи на их основе.
Предметом исследования
являются технологические процессы диф
фузионного легирования кремния никелем, модели идентификации эксплу
атационных параметров системы измерительного преобразователя на основе
термодатчика, технология получения омических контактов с улучшенной ад
гезией к поверхности полупроводника.
Методы исследования.
В работе применены комплексные информа
тивные методы экспериментальной физики: вольтамперные, четырехзондо
вый метод и метод измерения эффектом Холла, растровая электронная
микроскопия, метод электронно-зондового микроанализа, метод дифракции
медленных и быстрых электронов, теория погрешности.
Научная новизна исследования
заключается в следующем: разработан
способ диффузии никеля в объем кремния с встраиваемыми нанокластерами в
кремнии, который состоит из трех ступеней, то есть в каждой ступени
температура (300÷600; 600÷900; 900÷1200 ºС) последовательно повышается со
скоростью 5 град/мин., выдерживается в течение определенного времени (10
минут), затем охлаждается со скоростью 100 град/сек;
создана технология получения сильнолегированного слоя для оми
ческих контактов к кремниевой структуре легированной никелем, которая
заключается в том, что на поверхность кремниевой структуры слой металла
никеля осаждается химическим способом и подвергается термо-обработке
при 650ºС в течение 10 минут;
впервые на основе кремния с нанокластерами разработан термодатчик
обладающий высокой чувствительностью (7800 К) и стабильностью
выходных характеристик и предложен технологический маршрут его изго
товления;
32
экспериментально показано, что введение корректирующей обратной
связи с помощью операционного усилителя приводит к снижению времени
переходного процесса термодатчика до одного порядка;
экспериментально показано, что удельное сопротивление легиро ванных
никелем кремниевых датчиков температуры с концентрацией но сителей
больше 10
16
см
-3
при воздействии гамма радиации дозой 10
6
рентген
изменяется незначительно, то есть являются устойчивыми воздействию
радиации, а в образцах с концентрацией носителей меньше 10
14
см
-3
при дозах
(5÷10)∙10
6
рентген происходит инверсия типа проводимости (
n →p
);
предложен способ оптимального структурного параметрического
проектирования измерительного преобразователя на основе термодатчика
путем компьютерного моделирования позволяющая выбрать, в соответствии с
требуемыми параметрами (чувствительность, линейность статических
характеристик, быстродействие и других), форму, контактные вывода,
защитный слой и параметры измерительной схемы;
определена возможность уменьшения погрешностей термодатчиков,
характеризуемых тепловой инерционностью и нелинейностью статических
характеристик, путем подбора требуемого граничного интервала темпе
ратуры.
Практические результаты исследования
заключаются в следующем:
разработан способ диффузии никеля в кремний, в режиме нарастания
температуры обеспечивающий образование устойчивых нанокластеров в
объеме, на их основе разработана технология изготовления термодатчиков для
измерения температуры в широком интервале температур от -100 до 180
градусов Цельсия;
предложены технические решения, позволяющие создавать микропро
цессорные измерительные схемы для измерения температуры различных
объектов с расстояния.
Достоверность результатов исследований
подтверждается примене
нием современных научных и технологических методов, стандартных и апро
бированных методик контроля параметров и характеристик полупровод
никовых приборов. Результаты и выводы обосновываются на физических
представлениях, основанных на теоретических и экспериментальных данных.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием
комплексных независимых методик измерения и обработки данных, а также
их соответствием современным понятиям физики и техники полупровод
ников и изделий на их основе.
Научная и практическая значимость результатов исследования.
Научная ценность исследований заключается в том, что создание нано
кластеров атомов никеля в кремнии методом диффузионного легирования и
всестороннее изучение их влияния на электрофизические свойства кремния
представляет научный интерес по расширению представлений о структуре и
свойствах компенсированных материалов.
Практическая ценность работы состоит в том, что усовершенствован
ная диффузионная технология позволяет проводить целенаправленную моди-
33
фикацию свойств полупроводниковых материалов и получать на их основе
термочувствительные структуры датчиков, предназначенных для использова
ния в приборах и системах контроля параметров различных объектов.
Внедрение результатов исследования.
Получен патент «Термодатчик»
Агентства Интеллектуальной собственности Республики Узбекистан на
термочувствительный датчик с широким рабочим диапазоном (-40÷180 ºС)
(UZ IAP 04778 от 29.11.2013г.). Разработанный термодатчик позволяет
контролировать температуру промышленных оборудований,
научных
объектов и различных устройств бытового назначения, а также субъектов;
в Открытом акционерном обществе «FOTON» изготовлена партия
термодатчиков отличающихся стабильностью параметров и устойчивостью к
внешним воздействиям и изготовленные на их основе устройства измерения
температуры использованы для сохранения отвечающих требованиям
всхожести хлопковых семян в хлопкозаготпунктах Кашкадаринской области
(Справка Акционерного общества «FOTON» от 30 июня 2016 года). В
результате внедрения устройства обеспечена устойчивость и стабильность
параметров термодатчика к внешним воздействиям;
пятиканальные микропроцессорные устройства измерения темпера туры
использованы для контроля температуры в сооружениях (элеватор) хранения
зерна (Справка Открытого акционерного общества «Галла-Алтег» от 04 июля
2016 года). Внедрение разработки за счет обеспечения стабильных условий
хранения зерновых культур обеспечило сохранность их качества,
предотвращая порчу зерна.
Апробация результатов исследования.
Результаты диссертационной
работы докладовались и обсуждались на международных и республиканских:
конференциях: «8-th international Conference Solid state physics» (Almaty,
2004); «Геотехнология: иннавационные методы недропользования в ХХ1
веке» (Москва-Навои, 2007); «Рост, свойства и применение кристаллов»
(Андижан, 2008); «Интеграция образования, науки и производства» (Москва,
2008); «Казахстан в новом мире и проблемы Национального образования»
(Чимкент, 2008); «Наука и производство» (Жетысай, 2009); «Кремний-2010»
(Нижний Новгород, 2010); «Фундаментальные и прикладные вопросы
физики» (Ташкент, 2010); «Ўзбекистоннинг инновацион тараққиёти-ёшлар
нигоҳида» (Ташкент, 2010); «Фотоэлектрические и теплофизические основы
преобразования солнечной энергии» (Фергана, 2011); «Оптическая и
фотоэлектрическая явления в полупроводниковых микро и наноструктурах»
(Фергана, 2011); «Нанотехнология ва қайта тикланадиган энергия манбалари:
муаммолар ва ечимлар» (Қарши, 2012).
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены
на объединенном семинаре Ташкентского государственного технического
университета (28 мая 2016), а также в одноразовом Научном семинаре (10
июня 2016) при Научном совете 16.07.2013.FM/T.12.01 при Физико
техническом институте и Самаркандском государственном университете по
присуждению ученой степени доктора наук по специальности 01.04.10-
34
Физика полупроводников (технические науки).
Опубликованность результатов исследований.
По материалам
диссертации опубликовано 28 научных работ, из них 14 статей, в том числе 4 в
зарубежных реферируемых журналах, 1 книга (монография), 12 трудов
конференций и 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающей 112 наи
менований и 2-х приложений. Текст диссертации изложен на 200 страницах
машинописного текста, включая 76 рисунков и 26 таблиц.
35
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во
введении
обоснованы актуальность и востребованность темы
диссертации, определена связь исследований с основными приоритетными
направлениями развития науки и технологий в республике, приведены обзор
международных научных исследований по теме диссертации, степень
изученности проблемы, сформулированы цель и задачи, выявлены объект,
предмет и методы исследования, изложена научная новизна исследования,
обоснована достоверность полученных результатов, раскрыта их теорети
ческая и практическая значимость, приведены краткие сведения о внедрении
результатов и апробации работы, а также об объеме и структуре диссертации.
В первой главе
«Состояние проблемы и тенденции улучшения технологии
изготовления полупроводниковых структур с наноклас терами»
приведен
обзор литературных данных по состоянию проблемы и тенденциям
улучшения функциональных характеристик термодатчиков в зависимости от
его технологии изготовления, а также определены схемо технические пути
улучшения электрических параметров. На основе анализа имеющихся
теоретических и экспериментальных данных сформулирована постановка
задачи.
Во второй главе
«Разработка способа легирования кремния атома ми
никеля»
приведены технологические этапы получения кремния, легиро
ванного термодиффузией никеля, процессы упорядочения распределения
нанокластеров в объеме кремния.
Известно
1
, что путем применения процесса диффузии с последующим
резким охлаждением можно получить нанокластеры никеля в кремнии. При
этом варьируя температурой диффузии от 750 до 1050 градусов Цельсия, а
также изменяя скорость охлаждения можно управлять размерами наноклас
теров от 10 до 900 нм. Исходя из этого обстоятельства нами изучено влияние
температурного диапазона и скорости охлаждения на формирование класс
теров никеля в кремнии.
На основе изучения процессов диффузии примесей переходных метал
лов в кремний при различных скоростях охлаждения
4
10
÷
10
град/сек уста
новлено, что концентрация электрически активных атомов в них практически
не зависит от скорости охлаждения.
Для получения в объеме кремния, повышающих его термочувст
вительность, нанокластеров процесс диффузии никеля в кремний осуществ
ляли в диффузионной печи в режиме нарастающей температуры со ско ростью
5÷7 С/мин в интервале температур 700÷1250
o
С. Осуществление
нагрева кремния с самой начальной температуры создает условия для
термоотжига неустойчивых центров. Температура диффузии, контролиро
валась платина-платинородиевой термопарой, расположенной непосред
ственно рядом с ампулой. Нарастающий нагрев осуществляли в течение 110
минут, а затем после достижения максимальной температуры выдерживали в
1
F. Riedel, W. Schöter. Electrical and structural properties of nanoscale NiSi
2
precipitates in silicon
// Phys. Rev. B., 2000. – Vol. 62. – № 11– pp. 7150-7156.
36
течение 10 минут, после чего ампулу с образцами вынимали из печи и
сбрасывали в воду, чем и обеспечивалось высокая скорость охлаждения
V=100÷300
o
С/сек и упорядоченное распределение нанокластеров в объеме.
Для получения омического контакта с улучшенной адгезией к поверх
ности кремния, в объем которого проведена диффузия никеля, проведено
осаждение тонкого слоя (3 мкм) металла никеля химическим способом с
последующей термообработкой при 650 градусах Цельсия в течение 10 минут.
Сопоставление параметров разработанных термодатчиков с извест ными
аналогами показало, что зависимости их сопротивлений от темпера туры как
при положительных, так и отрицательных температурах в отличие от
известных аналогов подчиняются одному и тому закону, а температурный
коэффициент имеет высокие значения (табл. 1).
Таблица 1
Параметры кремниевых термодатчиков
(1x1x0,5 мм
3
) с нанокластерами никеля
№
ρ
, Ом
⋅
см
В, K
Т,
0
С
1
3
⋅
10
2
4600
-60
÷
120
2
3
⋅
10
3
6250
-60
÷
130
3
2
⋅
10
4
7000
-70
÷
140
4
10
5
7200
-80
÷
150
5
6
⋅
10
5
7300
-100
÷
160
КМТ-1
22·10
3
÷1·10
6
3600÷7200
-60÷180
ММТ-1 1·10
3
÷220·10
3
2030÷4300
-60÷125
ММТ-6 10·10
3
÷100·10
3
2060÷4300
-60÷125
Впервые разработанная технология изготовления кремниевого термо датчика
n
+
-n-n
+
-
структурой включает в себя проведение диффузии никеля в кристалл
кремния с удельным сопротивлением 40
60 Ом·см
n
-типа прово димости
в режиме нарастающей температуры, формирование сильнолеги рованных
областей
n
+
- типа проводимости методом диффузии, из химически
осажденного никеля с последующим отжигом и осаждение подслоя олова
толщиной 50 мкм, а также нарезку пластины кремния на дискретные
элементы площадью 1 мм
2
и напайку проволочных токосъемных выводов.
В отличие от аналога, улучшение адгезии омического контакта к
поверхности кремния термоотжигом в вакууме, предотвращает разброс
параметров термодатчиков в обоих направлениях, обеспечивая линейность
токовых характеристик.
В третьей главе «
Разработка технологии изготовления термодатчи ка
на основе кремния легированного никелем
» обоснован выбор парамет ров
базовой области термодатчика с
n
+
-i-n
+
-структурой, приведены процесс сы
получения к ним омических контактов, герметизации, технологический
37
маршрут изготовления, статические и динамические характеристики, а также
надежность.
Термодатчик, содержащий термочувствительную высокоомную
i
-об ласть на
основе монокристаллического кремния и оснащенный электричес кими
контактами, отличающийся тем, что
i
-область заключена между двумя
сильнолегированными
n
+
-областями, выполненными путем легирования ато
мами металла с образованием структуры
n
+
-i-n
+
, при этом наружная поверх
ность каждой
n
+
-области никелирована и образует омический переход между
n
+
-областью и соответствующим электрическим контактом, а между никели
рованными поверхностями и электрическими выводами введены слои олова.
Структура предложенного термо
датчика приведена на рис. 1, где
базовая область 1 представляет
собой высокоомный кремний тол
щиной 350 мкм легированный ни
келем. На его обе поверхности
сформированы низкоомные силь
1 –
i-Si
; 2 –
n
+
-Si
; 3 –
Ni
; 4 –
Sn
Рис. 1. Структура предложенного
термодатчика
нолегированные области 2
n
+
-ти
па толщиной 2 мкм, поверх ко
торых химическим способом
осаждены слои никеля 3 толщи
ной 3 мкм служащие основой омических контактов. Для облегчения напайки
проволочных токосъемных выводов поверх никеля нанесен слой олова
толщиной 50 мкм.
Выбор в качестве
материала
базовой области термодатчика,
про
мышленного
монокристаллического
кремния
n
-типа проводимости с
удельным сопротивлением
=10÷100
Ом
⋅
см, обусловлен
возможностью
контролируемого управления концен
трацией электроактивных атомов
вводимого в него никеля (рис. 2) и
рабочим диапазоном температуры.
При этом процесс диффузии никеля в
кремний осуществлен в режиме с
нарастающей температурой, конеч ное
значение которого совпадал с
фиксированной температурой обыч
1-нарастающий режим диффузии
2-диффузия при заданной температуре
Рис. 2. Зависимость
электроактивной концентрации от
температуры термообработки
ной технологии. То есть, в обычной технологии, контрольные образцы,
помещенные в ампулы, устанавливали в печь с набранной конечной
температурой диффузии, а время диффузии составляло 2 часа. Концентрация
электроактивных атомов никеля в них получалась приблизительно на 7÷10 %
38
меньше (кривая 2), чем в образцах, полученных в режиме с нарастающей
температурой(кривая 1). Преимущество диффузии никеля в режиме с
нарастающей температурой заключается в том, что при этом для получения
заданной концентрации носителей на процесс диффузии тратиться в два раза
меньше времени.
По расчетным данным при коэффициенте диффузии D
Ni
=2,3·10
-3
exp(-
0,47/kT) см
2
/с и температуре
Т
=(600
÷
900)
°
С концентрация никеля
N
Ni
=1,4·10
25
exp(-2,3/kT) см
-3
, то есть, растворимость никеля должна быть
N
Ni
~
10
14
см
-3
, а коэффициент диффузии должен иметь значение
D
=(10
-4
÷
10
-7
)
см
2
/с. Тогда, чтобы однородно легировать образцы толщиной 1мм, необхо
димо было бы около t=l
2
/D=(0/1)
2
/10
-7
=1000 cек, т.е. потребовалось бы около
t
=7 часов, а в нашем случае весь технологический процесс диффузии
занимает 3 часа. Концентрация атомов никеля в объеме составляла
N
Ni
~
10
14
см
-3
, т.е. больше чем ожидалось.
Сделано заключение, что в режиме нарастания температуры диффузия
никеля происходит по междоузлиям, а примесные атомы находятся в меж
доузельных состояниях, так как при этом концентрация вакансий -
N
v
сос
тавляет порядка 10
7
см
-3
, т.е. она почти на 10
7
÷
10
8
порядков меньше, чем
концентрация атомов никеля в междоузлиях
.
С целью исключения влияния внешних факторов типа влаги, света и
мгновенных возмущений потока воздуха на измерительные параметры тер
модатчиков в качестве герметика использовали заливочные компаунды. Для
исключения влияния разницы между коэффициентами линейного расширения
компаунда и термодатчика в компаунд вводили наполнитель, в частности,
сурик-свинцовую краску. За основу заливочных компаундов взяты смолы
ЭД-20 с малеиновым ангидридом и триэтаноламином в качестве отвер
дителей.
Выбор малеинового ангидрида и триэтаноламина обусловлен тем, что
малеиновый ангидрид позволяет получить компаунды с малой начальной
вязкостью и большой жизненностью. Триэтаноламин же выбран из-за малой
его токсичности, несмотря на худшие технологические качества получа
емого компаунда. Рецептура эпоксидного заливочного компаунда Д-2 приве
дена в табл. 2. С точки зрения предотвращения больших механических нап
ряжений большое значение имеет усадка компаунда в процессе полиме
ризации.
Поэтому нами проводился экзотермический прогрев при различных
температурах в процессе полимеризации при температуре Т=80
о
С в течение 4
часов, при Т=120
о
С в течение 12 часов, при Т=140
о
С в течение 24 часов. В
результате удалось свести к минимуму образование механических напря
жений в процессе отверждения выбранной эпоксидной смолы. Структурное
описание последовательности технологических процессов и наименования
требуемых участков, а также оборудований для изготовле ния термодатчиков
оформлено в виде технологического маршрута изготов ления термодатчика на
основе компенсированного кремния.
39
Таблица 2
Рецептура эпоксидного заливочного компаунда Д-2
Компаунд
Усл
овн
ое
обо
зна
чен
ие
Состав, весовые части
Смола
Отвердитель
Наполнитель
наи
мен
ова
ние
ко
ли
че
ст
во
на
им
ен
ова
ни
е
кол
иче
ств
о
наи
мен
ова
ние
количес
тво
Заливочное Д-2 ЭД-20 100 ма
2,28К СС
1,5÷1,8г
Экспериментально показаны возможности оптимизации измеритель
ного параметра термодатчика в схеме с последовательно-паралельно соеди
ненными резисторами и установлена взаимосвязь этих параметров с чувст
вительностью оптимизированной схемой, что способствует обеспечению
точности измерений и снижению погрешности.
( )
R R
r
−
2
1 2
1
K
ga
−
+
+
=
, (1)
( )( )( )
T T R r R r
1
2 1 1 2 1
При этом измеряемая температура определяется условиями контролируемой
среды (газ, жидкость и другие) и имеет незначительные отклонения (табл. 3),
а в стационарных условиях дает истинную температуру.
Таблица 3
Отклонение параметров и характеристических величин
термодатчика от номинальных значений
Факторы
ΔU
п/
U
п
ΔК
/
К
ΔR
/
R
Δβ
/
β
Температура окружаюшей среды
0,06
0,05
0,01
0,001
Старение материала
0
0
0,1
0,01
Приведенная погрешность
0,05
0,05
0,01
0,01
Надежность термодатчика в отношении постоянных отказов с учетом дес
табилизируюших факторов при погрешности не более 1,0% составляет 0.966.
Δ
/
=
0,45
макс макс
S S
(2)
Δ
S
Δ
S
1
1
(3)
Р Ф
макс
макс
=
Ф Ф
( ) ( )
=
(
− −
=
− −
Ф
S
s
0,45
) (
0,45
) 0,966
Четвертая глава
«Изучение характеристических параметров термо
датчиков»
посвящена методике исследования параметров и характеристик
разработанных термодатчиков, изучению электрических и основных характе
ристических параметров, а также влияния γ -облучения и вибрации на их
рабочие характеристики.
40
Основные характеристики термодатчиков - коэффициент темпера турной
чувствительности и температурный коэффициент сопротивления, диапазон
измеряемых температур, быстродействие определяли с помощью стандартной
экспериментальной установки. Измерения проведены в рабочей камере путем
повышения температуры с шагом 2÷3˚С в минуту посту пающей воды из
термостата, а минусовые температуры создавали жидким азотом. На основе
измеренных и расчетных данных установлена взаимосвязь коэффициента
температурной чувствительности с глубиной залегания уровня Ферми
задаваемого удельным сопротивлением базы термодатчика опреде ляемого с
точностью до 10%. То есть, чем ближе уровень Ферми к середине
запрещенной зоны, тем выше коэффициент температурной чувствительнос ти,
рис. 3.
Рис. 3. Зависимость коэффициента
температурной чувствительности от
глубины залегания
энергетического уровня Ферми в
компенсированном кремнии
p
-и
n
-типа проводимости
1-известный; 2- предлагаемый
Рис.
4. Вольтамперная
характеристика термодатчика
Экспериментально показано, что предложенные датчики температуры в
отличие от известных имеют линейную зависимость вольтамперных харак
теристик в обоих направлениях (рис.4), что обеспечивает одинаковую темпе
ратурную чувствительность сопротивления во всем рабочем диапазоне тем
ператур (рис. 5).
а)
при отрицательных температурах б) при положительных температурах
Рис. 5.
Зависимость сопротивления термодатчика,
легированного никелем от температуры
41
Герметизация термодатчиков способствует исключению влияния свето
вого излучения и импульсных колебаний потока окружающей атмосферы на
вольтамперную характеристику, что способствует повышению стабильности
выходных параметров при низких напряжениях питания (рис. 6), а высокие
Рис. 6.
Вольтамперная характеристика
термо-датчиков на основе n-Si<S>
с
=10
5
Ом∙см (Т=300 К)
1-без герметизации;
2 - с герметизацией
значения удельного сопротивления базовой области способствуют снижению
погрешности измерения, исключая влияние сопротивления соединительного
кабеля на результаты измерений.
Другое отличие разработанных термодатчиков (1х1х0,5 мм
3
) состоит в
том, что по мере увеличения удельного сопротивления базы термодатчика его
температурная чувствительность и диапазон рабочих температур расши
ряется, табл. 4.
Таблица 4
Параметры кремниевых термодатчиков с нанокластерами никеля
ρ
, Ом
⋅
см
3∙10
2
3∙10
3
2∙10
4
10
5
6∙10
5
В, K
4600
6250
7000
7200
7300
Т,
0
С
-60÷120
-60÷130
-70÷140
-80÷150
-100÷160
Сравнительный анализ основных характеристик разработанных полу
проводниковых датчиков температуры с существующими аналогами (КМТ-1,
ММТ-1, ММТ-6, СТ6) показывает (табл.5), что по таким показателям, как
Таблица 5
Сравнительные данные рабочих характеристик
разработанных термодатчиков*
Тип
термо
датчика
Удельное
сопротив
ление
Ом
Диапазон
измерения
температур
о
С
Температурн
ая
чувствитель
ность
В
Постаян
ная
времен,
сек
Si<P,Ni>
3·10
2
÷1·10
6
-80÷150
4600÷7200
5
КМТ-1
22·10
3
÷1·10
6
-60÷180
3600÷7200
85
ММТ-1
1·10
3
÷220·10
3
-60÷125
2030÷4300
85
ММТ-6
10·10
3
÷100·10
3
-60÷125
2060÷4300
35
СТ3-6
6,8·10
3
÷8,2·10
3
-90÷125
1200÷2400
35
p-i-n диод
1,2·10
3
÷6·10
3
-60÷150
2.3 мВ·К
-1
12
*Если разработанный термодатчик работает в более теплопроводной
среде,например в жидкости, то постоянная времени будет
уменьшаться
42
удельное сопротивление, температурный диапазон, температурная чувстви
тельность и постоянная времени разработанные полупроводниковые датчики
температуры имеют лучшие показатели.
Экспериментально установлено, что в отличие от контрольного образ ца
на кремнии, удельные сопротивления изготовленных термодатчиков для
широкого диапазона концентрации носителей (10
16
÷10
17
см
-3
) или с удельным
сопротивлением порядка 0.1÷1.0 Ом∙см при воздействии радиации до дозы
10
9
Р изменяются незначительно, а времена жизни уменьшаются, способствуя
повышению быстродействия (5
÷
7 сек.), рис. 7.
а) б)
1-N=5∙10
17
см
3
; 2-N=10
7
см
3
; 3-N=6∙10
16
см
3
образцы Si<Ni> с различной концентрацией
никеля, 4- контрольный образец
7 - расм. Относительное изменение удельного сопротивления (а)
и времени жизни носителей тока (б) от дозы γ-облучения
Для термодатчиков с более высоким омическим сопротивлением
(1
÷
5)10
5
Ом или с удельным сопротивлением ρ~10 Ом∙см коэффициент
термочувствительности (В) и быстродействие при облучении до дозы Ф=10
8
Р
практически не меняется, а в дальнейшем наблюдается ухудшение этих
параметров. При более высоких дозах Ф > 10
8
Р постепенно ухудшаются
параметры термодатчиков и состояние герметизации. С увеличением дозы
облучения до Ф ~ 10
9
Р, все параметры ухудшаются на 25
÷
30% (рис.8).
а)
изменение сопротивления б) коэффициент термочувствительности
Рис. 8. Влияние
гамма облучения на характеристические параметры термодатчиков
43
Соответственно, чем меньше концентрация примесных атомов, тем
больше сопротивление термодатчика и выше радиационная стойкость. При
этом в данном интервале доз надежность и омичность электрического
контакта практически не изменяются. Основные параметры разработанных
термодатчиков и зависимость состояния их герметизации от дозы облучения
приведены в табл. 6.
Таблица 6
Влияние γ облучения (Co
60
) на эксплутационные параметры
и состояние герметизации термодатчиков на основе Si<P,Ni>
Доза облучения, Р
Чув
ств
ите
льн
ость
и
вре
мя
восс
тано
влен
ия
10
5
10
6
10
7
5∙10
7
10
8
5∙10
8
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
В,
К
τ ,
сек
6800
7000
7200
5÷7
5÷7
5÷7
6800
7000
7200
5÷7
5÷7
5÷7
6750
6950
7150
5÷7
5÷7
5÷7
6700
6900
7100
5÷7
5÷7
5÷7
6650
6850
7050
5÷7
5÷7
5÷7
6600
6800
7000
5÷7
5÷7
5÷7
Со
ст
оя
ни
е
герметиза
нет
изменений
нет
изменений
нет
изменений
изменил
ся цвет
разруше
ние
полное
разрушение
Выявлено, что разработанные термодатчики на основе кремния с нано
кластерами атомов никеля не только обладают достаточно высокой чувстви
тельностью и быстродействием, но также обладают достаточно высокой ра
диационной стойкостью и могут использоваться в условиях повышенного
уровня радиации. При этом увеличение коэффициента температурной чувст
вительности при больших дозах облучения открывает возможность создания
термодатчика для дистанционного контроля температуры различных объек
тов, находящихся как в обычных, так и в условиях радиационного
воздействия.
Пятая глава «
Разработка измерительного преобразователя темпера
туры на основе термодатчика
» посвящена изучению основных параметров
измерительных преобразователей, их структурному и параметрическому
проектированию с учетом критерия чувствительности, линейности статичес
кой характеристики и точности, а также разработке пятиканального прибора
на основе измерительного преобразователя, исследованию источников пог
решностей измерительного преобразователя и разработке методов их ком
пенсации.
В зависимости от чувствительности и сопротивления термодатчика, они
включаются с делительным резистором, по мостовой схеме и с двумя
термодатчиками.
44
Для делительной измерительной схемы выходное напряжение U
вых
равно
R
U Uп
T
1
=
(4)
вых
+
R R
T
1 2
При изменении температуры сопротивление измерительного преобра
зователя R
T1
изменится на величину R
T1
ε
1
и станет равным
R
T1
(1+ε
1
),
где ε=ΔR
g
/R
g
а выходное напряжение будет определяться выражением
K
1
U
вых
U
п п
+
+
=
(5)
−
U
( 1) ( 1 )
1
K
+
K K
где К=R
T1
/R
2
коэффициент симметрии схемы или в более упрощенном виде
получим
(6)
=
KK
1
U
вых
U
п
(
+
1)
2
Для мостовой измерительной схемы с учетом К=R
T1
/R
2
= R
3
/R
4
имеем
K
1
U
вых
U
п
+
+
+
=
(7)
( 1)( 1 )
1
K K K
или при включении двух термодатчиков в противоположные плечи мостовой
измерительной схемы существенно увеличивается его чувствительность, а
выходное напряжение вычисляется по формуле:
=
KK
+
U
вых
U
п
(8)
( )
( 1)
2
1 2
+
Для разработанного кремниевого полупроводникового термодатчика
верхний температурный предел определяется температурой плавления припоя
(ПОС 61 температура плавления 180
о
С), которым припаиваются выводные
электроды. Температурная чувствительность разработанных тер
модатчиков во всем диапазоне рабочих температур за счет симметричности
вольтамперной характеристики остается неизменной. Их использование
определяется требованиями к чувствительности, точности и быстродей ствию.
Для этого необходимо выбрать термодатчик определенного вида, тип
выводных проводов, материал защитного покрытия и схему включения,
каждый из которых в нашем случае состоит из пяти позиций. Пример
предлагаемой компоновочной таблицы (табл.7) для выбора вида датчика
приведен ниже.
В результате соответствующей компоновки этих элементов получают
новую структурную композицию измерительного преобразователя.
45
Таблица 7
Компоновочные компоненты измерительного
преобразователя
1. Вид датчика
1.1.Цилиндрическая 1.2.Шарообразная 1.3.Кубическая
3 1
2 1
1
1
4 2
2 2
2
2
3 3
1 3
1
3
3 4
1 4
1
4
3 5
5 5
1
5
3 6
1 6
1
6
3 7
5 7
2
7
4 8
1 8
1
8
1 9
1 9
1
9
4 10
2 10
1
10
1.4.Стержневая
1.5.Тонкая пленка Показатели качества
2 1
4 1 Чувствительность
1
3 2
1 2 Стоимость
2
2 3
5 3 Надежность
3
2 4
5 4 Точность
4
2 5
1 5 Линейность
5
2 6
5 6 Диапазон
6
4 7
1 7 Минимум потерь
7
3 8
2 8 Быстродействие
8
1 9
1 9 Экологичность
9
3 10
1
Вес
10
Все представленные варианты элементов измерительного преобразо
вателя проранжированы по критериям качества: чувствительности, стоимос
ти, надежности, точности, линейности, диапазона измерения температуры,
минимальной потери, быстродействия, экономичности и весу. На рис 9а.
приведен пример компоновки конструкции измерительного преобразователя
по критерию “чувствительность”, которая состоит из сочетаний следующих
элементов из компоновочной табл. 7: 1.3– 2.1 – 3.4 – 4.1. Наиболее
«надёжная» конструкция измерительного преобразователя соответствует
композиции:1.3 – 2.1 – 3.4 – 4.5, схема которого приведена на рис. 9б.
а)
к делительному терморезистору б) к микропроцессорному устройству
Рис. 9. Схема подключения измерительного преобразователя
46
Путем параметрического проектирования измерительного преобразо
вателя найдены интервалы оптимальных параметров рабочего напряжения,
корректирующих сопротивлений:
а
1
=Uп=1÷10В, а
2
=К=R
1
/R
2
=0.1÷2, а
3
=R=10÷160Ком, а
4
=β=0.2÷6%,
a={a
1
, a
2
, a
3
, a
4
}, (9)
где
;
а
=
;
а
2
=
К
;
а
3
=
R
а
4
=
,
1
U
n
а проектированием измерительного преобразователя по критерию чувстви
тельности и линейности статической характеристики для выбранной струк
туры и, следовательно, принимая статическую характеристику измеритель
ного преобразователя в виде
=
KK
⋅
(10)
U
вых
U
n
(
+
1)
2
за счет оптимизации методом Гаусса - Зaйделя получены оптимальные
параметры измерительного преобразователя, представляющие собой:
а
1
=U
п
=6В, а
2
=К=1.4, а
3
=R
g
=110Ком, а
4
=β=5.8%.
Выявив область требуемых чувствительностей, линейность статичес ких
характеристик, точность и быстродействие, соответственно, нами был
разработан усовершенствованный вариант нового поколения микропроцесс
сорного прибора для измерения температуры (рис. 10), который включает
блок схему входного усилителя, узел генератора тока, узлы питания и циф
ровую часть с микроконтроллером, который позволял получить оперативные
достоверные данные о температуре поверхности, среды измерения, и о тем
пературе в самом объекте, а также о динамике его изменения.
В структуру прибора также введены элементы, представленные частями
программного кода управляющей программы прибора, которые в плане
функциональности несут весьма важную роль и обуславливают вынесение их
в структурной схеме прибора в отдельные блоки для удобного восприятия
структурной схемы. Технические характеристики микропроцесс
сорного измерителя температуры приведены в табл. 8.
Для выяснения бесперебойного и стабильного функционирования
разработанного измерительного прибора проведена оценка его погрешностей
и рассмотрены пути его уменьшения. В частности, для уменьшения пог
решности, вносимой нелинейностью статической характеристики, предус
мотрено ограничение диапазона, смещение начала диапазона и коррекция
нелинейности с помощью микропроцессорных устройств. При этом макси
мальное значение погрешности количественно равно степени нелинейности
определяемого по формуле:
U U
−
=
(11)
выхнл вхнл
0.5 100%
нл
U U
−
выхмахс вхмин
47
Д-термодатчик с измерительной схемой; К
i
-контроллеры (i=1÷5); У- усилитель; Ф
фильтры; К-контроллер; ИОН-источник опорного напряжения; ОЗУ-оперативное
запоминающее устройство; АЦП-аналого-цифровой преобразователь; ЦП-цифровой
преобразователь; ИП-источник питания; МС-магистральная система; ГИТ-генератор
измерительного тока; РЭ-рабочие эталоны; ЭСППЗУ ПО- электрически стираемое
программируемое постоянное запоминающее устройство программного обеспечения;
ЭСППЗУ БД и К-электрически стираемое программируемое постоянное
запоминающее устройство буфера данных и конфигураций
Рис. 10. Структурная схема измерительного прибора
где U
выхнл
, U
выхл
- нелинейные и линейные значения выходного сигнала
измерительного преобразователя, а погрешности связанные с динамической
погрешностью измерительного преобразователя в виде абсолютной
Δ
(
)
=
(
)
−
(
→ ∞
)
А
U
вых
U
вых
U
вых
(12)
или относительной динамической погрешности
U U
( ) ( )
− → ∞
Δ
=
вых вых
U
(13)
( )
→ ∞
100%
отн вых
U
вых
( )
предлагается уменьшить выбором конструкции обеспечивающей уменьше ние
тепловой инерции, так и введения электрических корректирующих устройств.
Экспериментально показано, что введение корректирующей обратной
связи с помощью операционного усилителя приводит к снижению времени
переходного процесса до одного порядка, рис. 11, 12. По разработанной нами
технологии можно изготавливать стандартизованные термодатчики с допус
ками ±0,2 °С или ±0,1 °С в диапазоне 0÷100 °С и с меньшей точностью в
области -60 °С и +150 °С. При этом номиналы термодатчиков изготовленных
48
Таблица 8
Технические характеристики прибора нового поколения
микропроцессорного прибора
Число каналов измерений
5
Диапазон измеряемой температуры ,
0
С
-50, +200
Тип датчиков
Термодатчик Si<Р,Ni
>
Разрешающая способность, °С
0,2; 1;2
Средняя наработка на отказ, час
Не менее 3000
Время установления рабочего режима, сек
не более 3
Габаритные размеры корпуса, мм
96 х 50 х 110
Масса, кг
не более 0,4
Средний срок службы, лет
10
Индикация показаний
на светодиодном
дисплее, на ПК
Максимальный период опроса всех каналов, с
8
Программное обеспечение
Под Windows
Допустимая температура эксплуатации, °С
-10+50
Атмосферное давление, кПа
80-107
Относительная влажность при температуре 35 °С
не более 80
%
Точность
±(0,4% Тизм. + 1 К)
1
Воспроизводимость
±(0,4% Тизм. + 1 К)
1
Разрешение
1°С
Пределы допускаемой основной погрешности измерения
температуры в диапазоне температур от 0 °С до 100 °С при
измерениях с использованием индивидуальных статических
характеристик (ИСХ) термодатчика, °С
± 0,05
Пределы допускаемой погрешности в диапазонах температур
от -50 °С до 0 °С и от 100 °С до 200 °С при измерениях с
использованием ИСХ термодатчика, °С
± 0,1
Пределы
допускаемой
дополнительной
погрешности,
обусловленной отклонением температуры окружающего
воздуха от нормальной области значений (20 ± 5) °С при
измерении температур от 0 °С до 100 °С с использованием
ИСХ термодатчика, °С
± 0,05
Рис. 11. Схема коррекции
динамической погрешности
измерительного преобразователя с
обратной связью
1-без коррекции; 2- с цепью обратной связи
Рис. 12. Переходные процессы в
измерительном преобразователе с
термодатчиком
49
по разработанной технологии (при 25 °С) составляют соответственно:
100÷500 Ом; 1÷300 килоом и 1 мегаом. Среди них термодатчики с большими
номиналами взаимозаменяемы для различных изготовителей и имеют разброс
номинальных сопротивлений не более ±5%.
При изготовлении партии полупроводниковых термодатчиков в
количестве 1000 штук разброс номинальных сопротивлений не превышал
±5%.
В приложении
диссертации приведены методика измерения, стати
ческой обработки и программное обеспечение алгоритма управления изме
рительного прибора, а также созданы листинг основного файла программы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе проведённых исследований по докторской диссертации на
тему «Разработка термодатчика на основе кремния с нанокластерами атомов
никеля и его технологии изготовления» представлены следующие выводы:
1. Предложен новый способ процесса диффузии никеля в кремний,
заключающийся в проведении процесса диффузии в режиме нарастания
температуры со скоростью 5÷10 градус/минут в интервале температур
600÷1250
o
С обеспечивающий получение нанокластеров никеля в объеме
кремния.
2. Для получения омического контакта с улучшенной адгезией к
поверхности кремния, в объем которого проведена диффузия никеля,
предложено произвести осаждение тонкого слоя (3 мкм) металла никеля
химическим способом с последующей термообработкой при 650 градусах
Цельсия в течение 10 минут.
3. Впервые предложены принципы создания термодатчика на основе
кремния с нанокластерами никеля обладающего высокой чувствительностью
(7800 К) и стабильностью выходных характеристик, предложен техноло
гический маршрут его изготовления.
4. Показано, что при воздействии гамма излучением дозой 10
6
рентген
удельное сопротивление легированных никелем кремниевых термодатчиков
остается неизменным, а по мере увеличения дозы облучения до 10
8
рентген
коэффициент температурной чувствительности увеличивается на 10%.
5. Путем компьютерного моделирования в зависимости от требуемого
фактора (чувствительности, стоимости, точности, надежности и т.д.) пред
ложены методы структурного параметрического проектирования измеритель
ного преобразователя позволяющие выбрать соответствующую форму
датчика, контактные выводы, защитный слой датчика и параметры
измерительной схемы.
6. Установлена взаимосвязь между корректирующими (линеаризую
щими измерительный параметр) сопротивлениями и чувствительностью
термодатчика, позволяющая выявить область максимальной чувствитель ности
датчика в электронной схеме.
7. Выявлена возможность снижения погрешностей датчиков темпера
туры от 10% до 2% обусловленных нелинейностью их статических характе-
50
ристик и тепловой инерционностью путем выбора корректирующих
сопротивлений и интервала температуры в требуемой окрестности.
51
52
SCIENTIFIC COUNCIL ON AWARD OF SCIENTIFIC DEGREE OF
DOCTOR OF SCIENCES 16.07.2013.FM/T.12.01 at PHYSICAL
TECHNICAL INSTITUTE AND SAMARKAND STATE UNIVERSITY
_________ ______ ______ ______ ______
______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __ _________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___
TASHKENT STATE TECHNICAL UNIVERSITY
NASRIDDINOV SAYFILLO SAIDOVICH
THE DEVELOPMENT OF SILICON-BASED TEMPERATURE
SENSOR WITH NICKEL NANOCLUSTERS OF ATOMS AND
TECHNOLOGY OF ITS MANUFACTURE
01.04.10 – Physics of semiconductors (technical sciences)
ABSTRACT OF DOCTORAL DISSERTATION
Tashkent – 2016 year
53
Subject doctoral dissertation is registered in the Higher Attestation Commission
under the Cabinet of Ministers of the Republic of Uzbekistan in
28.04.2016/ В.2016.2Т.323
.
The doctoral dissertation carried out at the Tashkent State Technical University. Abstract of
the dissertation in three languages (Uzbek, Russian and English) is available on the web page of
the Scientific Council at
fti- kengash.uz
and educational and
i
nformational portal "ZiyoNet" in
address
www. ziyonet.uz
Scientific consultant: Egamberdiev Bahrom Egamberdievich
Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor
Official Reviewers:
Muminov Ramizulla Abdullayevich
Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Acade
mician of Uzbekistan Academy of Science
Abdukadirov Mukhitdin Abdurashidovich
Doctor of Technical Sciences, Professor
Aliyev Rayimdjan
Doctor of Technical Sciences, Professor
Lead organization: Fergana polytechnical institute
Protection will be held "____" _____________ 2016y in ____ hours at a meeting of the
Scientific Council of 16.07.2013.FM / T .12.01 at the Physico-Technical Institute and Samarkand
State University at the following address: 100084, g.Tashkent Str. Bodomzor Yuli - 2b.Tel / Fax:.
(Contacts: +99871) 235-42-91, an e-mail address:
lutp@uzsci.net
.
Doctoral thesis registered at the Information Resource Center of Physical-Technical
Institute of the number 04, which can be found in the IRC at: 100084, g.Tashkent Str. Bodomzor
Yuli - 2b. Tel / Fax.: (+99871) 235-30-41.
Abstract of the dissertation sent to "___" ______________ 2016y
(distribution protocol ___ of ____________2016y
S.L.Lutpullaev
Chairman of the Scientific Council for the award of
the degree of Doctor of Science, Doctor of science, professor
A.V.Karimov
Scientific secretary of the scientific council of the disposable
to award the degree of Doctor of Science, Ph.D.
I.G
.
Atabaev
Chairman single scientific seminar of the Scientific Council
to award the degree of Doctor of Science, Doctor of science, professor
54
Introduction (аnnotation of doctoral dissertation)
Topicality and demand of the subject of dissertation.
Currently, one of the
important physical and technical problems in dynamically developing directions of
electronic computing and information technology is developing temperature
sensors with improved functional characteristics on the basis of modified
semiconductors, in particular with nanoclusters used for diagnosing various
parameters and processes in industry, nuclear reactors, scientific researches and
other areas of the national economy.
The study of the interrelationship of electro-physical parameters of the active
region of silicon thermistors containing nanocluster inclusions of different atoms
with their operational parameters allows revealing their previously unknown new
technical solutions. Improving the active region, increasing the sensitivity and
solving the problem of reducing the spread of the parameters, as well as developing
the technology of producing a new generation of temperature sensors on the basis
of materials with nanoclusters, which provide temperature measurement at different
control conditions, are an important direction of researches.
The use of temperature sensors belonging to the class of semiconductor
devices based on materials with nanoclusters in devices and systems of control of
parameters of industrial facilities requires researching the ways to improve their
sensitivity and switch schemes. Therefore, the studies conducted on the diffusion
processes of various nanoinclusions, as well as the effects on the features of
thermistors of nanocluster inclusions aimed at optimizing the functional parameters
of thermistors are urgent.
This research is aimed at developing a new method of diffusion that provides
the formation of nanoinclusions, as well as the choice of parameters of the material
of a base, and developing the ways of obtaining contacts with improved adhesion,
which are directed to the manufacture of temperature sensors with stable
parameters. The need for the improvement of the functional characteristics of such
temperature sensors, development of cost-effective technologies for their
manufacturing and creation of a route of this technology has great scientific and
practical importance.
This dissertation in the certain degree serves to perform the tasks assigned
for the improvement of the competitiveness of the electronic products mentioned in
the Decree PD-1442 of the President of Uzbekistan “On the priorities of industrial
development of the Republic of Uzbekistan in 2011 – 2015” of 15 December 2010,
as well as in other regulatory documents adopted in this field.
Relevance of the research to the priority areas of science and technology
development of the republic.
The research was carried out in accordance with the
priority direction III. “Power engineering, energy and resource conservation,
transport, mechanical engineering and instrument making; the development of
modern electronics, microelectronics, photonics, electronic instrument making” of
science and technology development of the Republic of Uzbekistan.
55
Review of international scientific researches on the subject of
dissertation
1
.
Overview of international scientific research on topic of the
dissertation. Research questions of the theory and practice of thermometry carried
out in the leading centers and universities, including American scientists F. Meyzda
and A.A. Volinsky, and Chinese researchers M. Shao and N. Zhano. Pay attention
to the work of scientists V.V. Sakhin, A.A. Shekhurdin on the use of
microprocessors in temperature measurement devices, as well-known companies,
such as Hewlett-Packard (England), Analog Devices (USA) and Oméga (Germany)
are being developed temperature sensors and devices for different purposes.
In the field of producing temperature measurement gauges on the basis of
various semiconductor materials, a number of scientific and practical results were
obtained throughout the world. Such companies as Volvo, Siemens (Germany),
Philips (the Netherlands) and ITT Components Group (UK) manufactured silicon
temperature sensors with a positive temperature factor, and the company Rodan
Industries Inc., Texas Instruments (USA) developed the technology of manufac
turing temperature sensors intended for different purposes.
At present, scientific and practical results were obtained on the development
of relatively cheap temperature sensors based on silicon technology with optimal
parameters, which meet modern requirements for sensitivity, substituting the
integrated sensors intended for controlling the conventional technological
processes, as well as on the enhancement of their functional features.
Degree of study of problem.
So far, a significant contribution has been
made to the development of the theory and practice of heat-sensitive elements by a
number of scientists, including: V.S. Gromov, N.P. Udalov, A.I. Krivonosov, Y.V.
Zaitsev, I.L. Rotbert, I.T. Sheftel and G. Vigleb. They contributed to supplying the
market with a variety of temperature sensors, including measuring and converting
devices for different temperature ranges. However, narrow temperature range, and
inability to work in extreme conditions are peculiar to semiconductor temperature
sensors. Therefore, the creation of a new generation of temperature sensors and
measurement converters that record the temperature in a wide range and preserve
the stability parameters in harsh conditions is urgent and defines the demand for
them.
However semiconducting thermal sensor peculiar narrow temperature range
and an inability to work in extreme conditions. Therefore, the creation of a new
generation of temperature sensors and measurement converters that record the
1
Review of international scientific researches on the subject of dissertation Is carried out оn a basis тhe review of
the international scientific researches on a subject of the dissertation is carried out(spent) on a basis Мейзда Ф. /
Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. – С.250-335. Alex
A. Volinsky and Lev Ginzbursky. / Irradiated cubic single crystal SiC as a high temperature sensor. 2003 Materials
Research Society Fall Meeting. С. 273-278. Zhano N, Fu HW, Shao M, Li HD, Liu YG, Qiao XG. Research on high
sensitivity temperature sensor based on Mach-Zehnder interferometer with waist-enlarged fiber bitapers. // Guang
Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi. 2014 Jun;34(6):1722-6. Сахин В.В., Шалимов В.П. Теплопередача // БГТУ, СПб.
2003. С. 120-135. Шехурдин А.А. Использование оптоэлектронных систем с кварцевыми монолитными
световодами в АСУ ТП промышленных печей // Автоматизация в промышленности. 2007. №4. С.23-24 аnd
other sources.
56
temperature in a wide range and preserve the stability parameters in harsh
conditions is urgent and defines the demand for them.
At present, great attention is paid to the development of the digital
technology and means of electronic communication, which require sensors with
digital output signals. Outstanding scientists like E.I. Svetkov and A.M. Melik
Shakhnazarov studied the issues of application of microprocessors in temperature
measurement devices. Y.V. Gulyaev proposed the new principles of building
sensors on the basis of surface acoustic waves used in the manufacture of passive
temperature sensors with record sensitivity compared to the known analogues. In
this respect, it should be noted that the optimization of the parameters of
temperature sensors are linked with the initial material and technology of its
manufacture. The traditional diffusion methods used for making temperature
sensors on the basis of silicon have exhausted their possibilities, instead, creating a
new technology of forming nanoinclusions, nanocomplexes and nanoclusters in the
semiconductor matrix is very promising. In this direction, the scientists of
Uzbekistan, in particular, the school of M.K. Bahadirkhanov, creating a new way of
diffusion of transition metals, contributed to the improvement of the technology of
obtaining nanocluster materials that can serve as a basic technology for creating
temperature sensors with high-operating temperature (аbove 120 º Celsius) and
sensitivity. Together with a number of scientists, the school of M.S. Yunusov
created the technology of thermoradiation doping of silicon and founded the
direction of radiation physics of semiconductors. The group of Professor B.E.
Egamberdiev developed the prin-ciples of creating multichannel measurement
temperature converters on the basis of temperature sensors.
The abovementioned suggest that there is a need for the solution of the
problems of developing the physical and technological aspects of formation of
structures with silicon based nanoinclusions, and improving the diffusion processes
providing controlled incorporation of admixtures into the silicon matrix, aimed at
the integral choice of a temperature sensor design, as well as obtaining the optimal
combination of their parameters with technological processes. Besides, the
problems of ensuring the stability of their parameters have scientific and practical
values.
Connection of the dissertational research with the plans of scientific
research works.
The dissertation was performed in TSTU within the framework of
the State Programs P-10.19 “Development and creation of a fundamentally new
class of sensors of physical quantities (temperature, magnetic field, pressure,
infrared radiation, humidity, radiation)” (2010-2012), ID6-022 “Development of a
multi-channel device for remote temperature control of agricultural products”
(2008-2010).
The aim of the research
is to develop methods for obtaining a new diffusion
technology for highly sensitive temperature sensors with nickel nanoclusters and
develop on their basis a set of temperature sensors and devices with stable
parameters and are resistant to different types of effects for temperature control
systems of objects.
57
The tasks of the research:
developing a method of nickel diffusion with orderly embedded
nanoinclusions in silicon;
implementing the technology of obtaining highly doped region for ohmic
contacts to silicon structures;
developing a technological route of manufacturing of temperature sensors on
the basis of compensated silicon with nanoclusters;
studying the impact of radiation exposure on the operational characteristics
of temperature sensors based on silicon, doped with nickel;
choosing a competitive device as a sensor for various indications taking into
account the features of the desired inclusions;
evaluating and compensating the error of the temperature measuring device
based on the temperature sensor.
The objects of the research
are
n
+
-n-n
+
silicon structures with nano
inclusions that are manufactured through diffusion technologies, and measurement
transducers based on them.
The subjects of the research
are the technological processes of diffusion
doping of silicon with nickel, models of identification of operational parameters of
the measuring transducer system on the basis of the temperature sensor, technology
for obtaining ohmic contacts with improved adhesion to the semiconductor surface.
Method of research.
In the dissertation, we used complex informative
methods of experimental physics: volt-ampere, four-probe method, and
measurement method by the Hall effect, scanning electronic microscopy, method of
electronic and probe microanalysis, method of diffraction of slow and fast
electrons, theory of errors.
Scientific novelty of the research
is as follows:
A method of nickel diffusion with embedded nanoinclusions in silicon was
worked out, which consists of three steps, тhat is in each stage the temperature
ranges (300÷600; 600÷900; 900÷1200 °C) within which the temperature is risen
consistently at a speed of 5 degrees/min, is maintained for 10 minutes and then is
cooled at a speed of 100 degrees/sec.
A technology was created for obtaining a highly-doped layer for ohmic
contacts to silicon structure doped with nickel, which means that a metal layer of
nickel is deposited on the surface of the silicon structure by chemical means and is
subjected to thermal treatment at 650ºC for 10 minutes.
For the first time, a temperature sensor with high sensitivity (7800 K) and
stability of output characteristics was developed on the basis of silicon nanoclusters
and a technological route of its production was proposed. It was experimentally
shown that the introduction of the correction feedback with the help of the
operational amplifier leads to the reduction of the transient time of the temperature
sensor by one time;
It was experimentally shown that the specific resistance of silicon
temperature sensors doped with nickel with a carrier concentration of more than
10
16
cm
-3
changes slightly when exposed to gamma radiation dose of 10
6
58
roentgens, i.e. remains stable at radiation influence, and in samples with a carrier
concentration of less than 10
14
cm
-3
at doses (5÷10)∙10
6
roentgens, conductivity type
inversion (n → p) occurs.
A method of optimal structural parametrical designing of a measuring
transducer based on the temperature sensor was proposed by computer simulation
that allows to choose the form, output contacts, protective layer and parameters of
the measuring system, in accordance with the required parameters (sensitivity,
linearity of static characteristics, speed, etc.).
By choosing the required boundary interval of temperature, the possibility of
reducing the errors of temperature sensors was determined, which are characterized
by thermal inertia and nonlinearity of static natures.
Practical results of the research
are as follows:
A method of diffusion of nickel into the silicon was developed in temperature
rise mode ensuring the formation of stable nanoclusters in bulk, and on their basis,
the technology of manufacturing temperature sensors was developed for measuring
the temperature over a wide temperature range from -100 to 180 degrees Celsius.
Technical solutions were found that allow creating microprocessor measuring
circuits for measuring the temperature of various objects from a distance.
The reliability of the research results
is confirmed by the use of modern
scientific and technological methods, standard and proven methods of control
parameters and characteristics of semiconductor devices. The results and
conclusions are justified on physical performances based on theoretical and
experimental data. The reliability of the experimental data is provided by the use of
complex independent techniques of data measurement and processing, as well as
their compliance with modern concepts of physics and technology of
semiconductors and products based on them.
Theoretical and practical significance of the research results.
The
theoretical significance of the researches lies in the fact that the creation of
nanoclusters of nickel atoms in silicon by diffusion doping and comprehensive
study of their impact on the electrical properties of silicon are of scientific interest
to expand the notions of the structure and properties of compensated materials. The
practical significance of the work is in the fact that the improved diffusion
technology allows a targeted modification of the properties of semiconductor
materials and, on their basis, obtaining temperature-sensitive structures of sensors
intended for use in devices and control systems of the parameters of different
objects.
Implementation of the research results.
Received the patent for
"temperature sensor" with a wide operating range (-40 ÷ 180 ° C) (UZ IAP 04,778
from 29.11.2013y.) property of the Republic of Uzbekistan. Designed temperature
sensor allows to control the temperature of the industrial equipment, research
facilities and various household purpose devices and entities;
вy open Joint Stock Company «FOTON» manufactured a parti of
temperature sensors differing by it’s parameters stability and resistance to external
59
influences.This device was succesfully applicd to store germination of cotton seeds
with meeting the reguiremebts in cotton recuremet Centers of Kashkadarya region
(FAQ Joint Stock Company «FOTON» on June 30, 2016y.). As a result of the
introduction of devices ensured the sustainability and stability of the temperature
sensor parameters to external influences;
тhe five-channel microprocessor-based on temperature measurement device
used to control to temperature in buildings where stored grain. (FAQ Open Joint
Stock Company "Galla-Alteg" on July 04, 2016y.). Implementation of device gave
stable conditions for the storage of crops to ensure the safety of their quality,
preventing spoilage of grain.
Testing of the research results.
The results of the dissertation were reported
and discussed at international and republican conferences: “8th International
Conference Solid State Physics” (Almaty, 2004); “Geotechnology: Innovative
Methods of Subsoil Use in the 21st Century” (Moscow-Navoi, 2007); “Growth,
Properties and Applications of Crystals” (Andijan, 2008); “Integration of
Education, Science and Industry” (Moscow, 2008); “Kazakhstan in the New World
and the Problems of the National Education” (Chimkent, 2008); “Science and
Industry” (Zhetysai, 2009); “Silicon-2010” (Nizhny Novgorod, 2010);
“Fundamental and Applied Questions of Physics” (Tashkent, 2010); “Innovative
Development of Uzbekistan in the View of the Youth” (Tashkent, 2010);
“Fundamentals of Photoelectric and Thermal Physics of Solar Energy Conversion”
(Fergana, 2011); “Optical and Photoelectric Phenomena in Semiconductor Micro
and Nanostructures” (Fergana, 2011); “Nanotechnology and Renewable Energy
Sources: Problems and Solutions” (Karshi, 2012).
The main results of the dissertation were reported and discussed at a joint
workshop of Tashkent State Technical University (28 May 2016), as well as one
time Scientific Seminar (10 June 2016) under the Scientific Council
16.07.2013.FM/T.12.01 at the Physical and Technical Institute and Samarkand State
University on award of the degree of doctor of sciences in the specialty
01.04.10-Physics of Semiconductors (engineering sciences).
Publication of the research results.
A total of 28 scientific works were
published on the materials of the dissertation, including 14 articles (of these 4 in
English), 1 book (monography), 12 conferences proceedings and 1 patent for the
invention.
Structure and volume of the dissertation.
The dissertation is presented on
200 pages, consisting of an introduction, five chapters, conclusions, and a list of
112 references and 2 appendixes. The dissertation contains 76figures and 26 tables.
60
MAIN CONTENT OF DISSERTATION
In the introduction
the topicality and relevance of the theme of the
dissertation were justified, its conformity to the priority directions of science and
technology development of the republic was shown, a review of international
researches on the topic of the dissertation was provided, the degree of study of the
problem, the aims, tasks as well as the objects and subjects of the dissertation were
formulated, the scientific novelty, the reliability of the obtained results, their
theoretical and practical significance were disclosed, a summary of the
implementation and announcement of the research results and the structure of the
dissertation were given.
The first chapter of the dissertation titled
“The condition of the problems
and trends to improve the technology of manufacturing semiconductor
structures with nanoclusters”
presents an overview of the published data on the
state of the problem and trends to improve the functional characteristics of
temperature sensors, depending on its manufacturing technology, as well as
identifies the schematic and technological ways to improve the electrical
parameters. We formulated the problem on the basis of the analysis of available
theoretical and experimental data.
In the second chapter
“Development of a method of doping silicon with
nickel atoms”
, the technological stages of obtaining silicon doped by thermal
diffusion of nickel and the processes of ordered distribution of nano-impurities in
bulk silicon are given.
As is known
1
, it is possible to obtain nickel nanoclusters in silicon by
applying a diffusion process followed by rapid cooling. At the same time, the size
of nanoclusters from 10 to 900 nm can be controlled by varying diffusion
temperatures from 750 to 1050 degrees Celsius, as well as changing the cooling
rate. On the basis of this fact we have studied the effect of the temperature range
and cooling rate on the formation of nickel clusters in silicon.
As is known, it is possible to obtain nickel nanoclusters in silicon by applying a
diffusion process followed by rapid cooling. At the same time, the size of
nanoclusters from 10 to 900 nm can be controlled by varying diffusion
temperatures from 750 to 1050 degrees Celsius, as well as changing the cooling
rate. On the basis of this fact we have studied the effect of the temperature range
and cooling rate on the formation of nickel clusters in silicon.
Based on the study of diffusion processes of transition metal impurities in
silicon at various cooling speeds 10÷10
4
deg/sec, it was established that the
concentration of electrically active atoms in them is practically independent of the
cooling rate.
In order to obtain nanoclusters in bulk silicon, which raise its temperature
sensitivity, the nickel diffusion process in silicon was carried out in the diffusion
furnace in a mode of increasing temperature at a speed of 5÷7 C/min in
1
F. Riedel,
W. Schöter. Electrical and structural properties of nanoscale NiSi
2
precipitates in silicon //
Phys. Rev. B., 2000. – Vol. 62. – № 11– pp. 7150-7156.
61
temperature intervals of 700÷1250 °C. Heating the silicon with the initial
temperature created the condition for thermal annealing of unstable centres. The
diffusion temperature was controlled by the platinum-rhodium platinum
thermocouple located directly next to the ampoule. The increasing heating was
carried out for 110 minutes, then after achieving the maximal temperature, it was
maintained for 10 minutes after which the ampoule with samples was removed
from the furnace and thrown into the water, which provided a high cooling rate
V=100÷300 °C/sec and an ordered distribution of nanoclusters in bulk.
To make ohmic contact with improved adhesion on the silicon surface, where
the nickel diffusion was conducted, deposition of a thin layer (3 microns) of nickel
metal was made with a chemical process followed by heat treatment at 650 degrees
Celsius for 10 minutes.
The comparison of the parameters of the designed temperature sensors with
known analogues showed that the dependence of their resistances on the
temperature both in positive and negative temperatures, in contrast to known
analogues obey the law, and the temperature coefficient has high values (Table 1).
Table 1
Parameters of silicon temperature sensors
(1x1x0,5 mm
3
) with nanoclusters nickel
No
, ohms
cm
В, K
Т,
0
С
1
3
⋅
10
2
4600
-60
÷
120
2
3
⋅
10
3
6250
-60
÷
130
3
2
⋅
10
4
7000
-70
÷
140
4
10
5
7200
-80
÷
150
5
6
⋅
10
5
7300
-100
÷
160
Cobalt-manganese
thermistors -1
22·10
3
÷1·10
6
3600÷7200 -60÷180
Copper-manganese
thermistors -1
1·10
3
÷220·10
3
2030÷4300 -60÷125
Copper-manganese
10·10
3
÷100·10
3
2060÷4300 -60÷125
thermistors -6
Developed for the first time the technology of making a silicon temperature
sensor with
n
+
-n-n
+
-structure includes conducting diffusion of nickel in the silicon
crystal with a specific resistance of 40÷60 ohms·cm
n
-type conductivity in an
increasing temperature mode, the formation of heavily doped regions of
n
+
-type
conductivity by diffusion from chemically deposited nickel, followed by annealing
and deposition of 50 microns thick tin sublayer, and cutting the silicon wafer on
discrete elements of an area of 1 mm
2
and soldering current collecting wire
terminals. Unlike the analogue, the improvement of adhesion of ohmic contact to
the silicon surface by thermal annealing in vacuum, prevents the spread parameters
of temperature sensors in both directions, providing the linearity of current
characteristics.
In the third chapter titled
“Development of the technology of making a
temperature sensor based on silicon doped with nickel”
, the choice of the base
area parameters of the temperature sensor with
n
+
-i-n
+
-structure is substantiated,
62
the processes of getting for them ohmic contacts, hermetization, technological route
of making, static and dynamic characteristics, as well as the reliability are given.
The temperature sensor containing a heat-sensitive high-resistance
i
-region
on the basis of monocrystalline silicon and equipped with electrical contacts is
characterized by the fact that the
i
-region is contained between the two heavily
doped
n
+
-regions performed by alloying the metal atoms to form a structure of
n
+
-
i-n
+
, while the outer surface of each
n
+
-region is nickeled and forms an ohmic
transition between the
n
+
-region and corresponding electrical contact, and tin layers
are introduced between the nickel-plated surfaces and electrical terminals. The
structure of the proposed temperature sensor is shown in Fig. 1, where the base
region
1
is a high-resistance 350-micron silicon doped with nickel.
On its both surfaces, low
resistant heavily doped regions
2 of
n
+
-type of 2-micron thick
ness are formed, the top of
which are deposited by chemi
cal means with 3-micron thick
nickel layers 3 serving as the
basis of ohmic contacts. To
facilitate the soldering of the
current collecting wire termi
nals over nickel, a tin layer of
50-micron thickness was depo
sited.
1 –
i-Si
; 2 –
n
+
-Si
; 3 –
Ni
; 4 –
Sn
Fig. 1. The structure of the proposed
temperature sensor
The choice of industrial monocrystalline silicon of
n
-type conductivity with a
specific resistance of
=10÷100 ohms
⋅
cm as a material of the base area of the
temperature sensor is due to the possibility of managing the concentration of
electroactive nickel atoms introduced into it (Fig. 2) and the operating temperature
range. In this process, the nickel diffusion in the silicon was done with an
increasing temperature mode, the final value of which coincided with the fixed
temperature of the conventional technology.
That is, in the conventional technology,
the test samples placed in ampules are
fixed in an oven with dialled finite
diffusion temperature, and the diffusion
time was 2 hours. The concentration of
the electroactive nickel atoms therein
was approximately 7÷10% smaller
(Curve 2) than in the samples obtained
in the mode with increasing temperature
(Curve 1). The advantage of the nickel
diffusion in an increasing temperature
mode is in that in this case, to obtain the
desired carrier concentration, the diffu
1-increasing diffusion mode
2-diffusion at a predetermined temperature
Fig.2. Dependence of the
electroactive concentration on the
63
sion process requires twice less time.According to the calculations, when the
diffusion coefficient is D
Ni
=2.3·10
-3
exp(-0.47/kT) cm
2
/s and temperature
Т
=(600
÷
900)
°
С, the nickel concentration is N
Ni
=1.4·10
25
exp(-2.3/kT) cm
-3
, i.e.,
the solubility of nickel should be
N
Ni
~
10
14
сm
-3
, and the diffusion coefficient should
have a value
D
=(10
-4
÷
10
-7
) cm
2
/s. Then, to uniformly dope the samples of 1 mm
thick, it would need about t = l
2
/D = (0/1)
2
/10
-7
=1000 sec, i.e. it would take about
t
= 7 hours. As for our case, the entire technological process of diffusion takes 3
hours. The concentration of nickel atoms in the bulk was
N
Ni
~
10
14
сm
-3
, i.e. greater
than expected.
It is concluded that in the mode of increasing temperature, nickel diffusion
occurs along the interstices, and impurity atoms are in interstitial states, so here, the
concentration of vacancies -
N
v
is about 10
7
cm
-3
, i.e. it is almost 10
7
÷
10
8
times less
than the concentration of nickel atoms in the interstices.
In order to eliminate the influence of external factors such as moisture, light
and instant air flow disturbances on the measurement parameters of temperature
sensors, we used the potting compounds as a sealant. To eliminate the influence of
the difference between the coefficients of linear expansion of the compound and
temperature sensor, we put a filler in the compound, specifically, minium – lead
based paint. For the basis of potting compounds, ED-20 resin with maleic
anhydride and triethanolamine was taken as hardeners.
The choice of the maleic anhydride and triethanolamine is due to the fact that
the maleic anhydride allows obtaining the compounds with a low initial viscosity
and high vitality. Triethanolamine was selected because of its low toxicity despite
the worst technological quality of the resulting compound. The recipe for the epoxy
potting compound D-2 is shown in Table 2. From the viewpoint of preventing large
mechanical tension, the compound shrinkage during polymerization is very
important.
Table 2
Recipe for the epoxy potting compound D-2
Compound
Con
ven
tion
al
sign
Structure, weight parts
Resin
Hardener
Filler
nam
e
qu
ant
ity
na
me
qua
ntit
y
nam
e
quantity
Potting
D-2 ED-20 100
ma 2.28K LM
1.5÷1.8g
Therefore, we carried out an exothermic heating at various temperatures in
the polymerization process at a temperature of T=80 °C for 4 hours, at T=120 °C
for 12 hours, at T=140 °C for 24 hours. As a result, we were able to minimize the
formation of mechanical tension in the hardening process of the selected epoxy
resin.
The structural description of the sequence of technological processes and
names of the required areas, as well as the equipment for making temperature
64
sensors were designed in the form of a technological route of making temperature
sensors based on compensated silicon.
The possibilities of optimizing the measurement parameter of the
temperature sensor in the circuit with a series parallel-connected resistors were
experimentally shown and the interrelation of these parameters with the optimized
circuit sensitivity was identified, which helps to ensure the measurement accuracy
and reduce the errors.
( )
R R
r
−
1 2
2
=
(1)
1
K
ga
−
+
+
( )( )( )
T T R r R r
1
2 1 1 2 1
The measured temperature is determined by the conditions of the controlled
medium (gas, liquid, etc.) and has a slight deviation (Table 3), and in stationary
conditions gives the true temperature.
Table 3
Deviation of the parameters and characteristic quantities of t
he temperature sensor from the nominal values
Factors
ΔU
ps/
U
ps
ΔК
/
К
ΔR
/
R
Δβ
/
β
Environment temperature
0.06
0.05
0.01
0.001
Aging of the material
0
0
0.1
0.01
Given error
0.05
0.05
0.01
0.01
The reliability of the temperature sensor in relation to permanent failures
with destabilizing factors in the error of not more than 1.0% is 0.966.
/ 0,45
Δ
S
max
S
max
=
(2)
Δ
S
Δ
S
1
1
Р Ф
S
s
(3)
max max
=
− −
=
=
Ф Ф
( ) ( ) (
− −
Ф
0,45
) (
0,45
) 0,966
The fourth chapter titled
“The study of the characteristic parameters of
temperature sensors”
is dedicated to the research methodology of the parameters
and characteristics of the developed temperature sensors, the study of the electrical
and main characteristic parameters, as well as the effect of γ-irradiation and
vibration on their performance.
The main characteristics of temperature sensors are the coefficient of
temperature sensitivity and temperature coefficient of resistance; the range of
temperature measurement and speed were measured using a standard experimental
setup. The measurements were performed in the processing chamber by raising the
temperature of the incoming water from the thermostat in the increments of 2÷3 °C
per minute, and freezing temperatures were created with liquid nitrogen. On the
basis of the measured and calculated data, we established the interrelation of the
coefficient of temperature sensitivity with the depth of the Fermi level given by the
occurrence of a specific resistance of the temperature sensor base determined with
65
an accuracy of 10%. That is, the closer is the Fermi level to the middle of the
bandgap, the higher is the coefficient of temperature sensitivity (Fig. 3).
Fig. 3. Dependence of the coefficient of
temperature sensitivity on the depth of
the energy level of the Fermi in
compensated silicon
p
-and
n
-type
conductivity
Fig. 4. Volt-ampere character
ristics of the temperature sensor
1- known; 2- proposed
It was experimentally shown that the proposed temperature sensors, unlike
the known, have linear dependence of volt-ampere characteristics in both directions
(Fig. 4) that provides the same temperature sensitivity resistance over the entire
operating temperature range (Fig. 5). Hermetization of temperature sensors helps to
eliminate the influence of light radiation and pulse oscillation of
а)
at negative temperatures б) at positive temperatures
Fig. 5. Dependence of the
resistance of the temperature sensor doped with nickel on temperature
the flow of the surrounding atmosphere on the volt-ampere characteristics, thereby
increasing the stability of output parameters at low supply of voltages (Fig. 6), and
the highest values of resistivity of the base region help to reduce the measurement
errors, excluding the impact of the connecting cable resistance on the measurement
results.
Another difference of the developed temperature sensors (1x1x0.5 mm
3
) is in
that with the increasing resistivity of the base of the temperature sensor its
temperature sensitivity and working temperature range expand (Table 4).
66
Table 4
Parameters of silicon temperature sensors with nickel nanoclusters
ρ
, ohms
⋅
сm
3∙10
2
3∙10
3
2∙10
4
10
5
6∙10
5
В, K
4600
6250
7000
7200
7300
Т,
0
С
-60÷120
-60÷130
-70÷140
-80÷150
-100÷160
The comparative analysis of the main characteristics of the developed
semiconductor temperature sensors with existing analogues (KMT-1, MTM-1,
Fig. 6.
Volt-ampere characteristics of
temperature sensors based on n
Si<S> with
=105 ohms∙cm
(T=300 K)
1 - without hermetization;
2 - with hermetization
MTM-6 ST6) shows that (Table 5) with such indicators as resistivity,
temperature range, temperature sensitivity and constant time the developed
semiconductor temperature sensors have the best performance.
Table 5
Comparative data of operational characteristics of the
developed temperature sensors *
Type of the
temperature sensor
Specific
resistivity, ohm
Temperatu
re
measureme
nt range,
°
С
Temperatu
re
sensitivity,
V
Consta
nt time,
sec.
Si<P,Ni>
3·10
2
÷1·10
6
-80÷150
4600÷7200
5
Cobaltmangane
se thermistors
-1
22·10
3
÷1·10
6
-60÷180
3600÷7200
85
Coppermangane
se thermistors
-1
1·10
3
÷220·10
3
-60÷125
2030÷4300
85
Copper-mangane
se thermistors -6
10·10
3
÷100·10
3
-60÷125
2060÷4300
35
СТ3-6
6,8·10
3
÷8,2·10
3
-90÷125
1200÷2400
35
p-i-n diode
1,2·10
3
÷6·10
3
-60÷150
2.3 mV·K
-1
12
* If the developed temperature sensor works in a thermally conductive
medium, such as a liquid, the constant time will decrease.
It was experimentally established that, in contrast to the control sample on
silicon, the specific resistivity of the developed temperature sensors for a wide
range of the carrier concentrations (10
16
÷10
17
cm
-3
) or with a specific resistivity of
0.1÷1.0 ohms∙cm varies slightly when exposed to radiation to a dose of 10
9
P, and
the lifetime is reduced, helping to the increase of the speed (5÷7 sec.) (Fig. 7).
67
For the temperature sensors with a higher ohmic resistance (1÷5)10
5
ohms or
with a specific resistivity ρ~10 ohms∙cm, the coefficient of temperature sensitivity
(B) and speed under irradiation to a dose of F=10
8
P practically does not change,
and further worsening of these parameters is observed. At higher doses of F>10
8
P,
the parameters of temperature sensors and the state of hermetization gradually get
а) б)
1-N=5∙10
17
см
3
; 2-N=10
7
см
3
; 3-N=6∙10
16
см
3
samples Si<Ni> with different
concentrations of nickel, 4-the control sample
Fig. 7. Relative change of specific resistivity (a) and lifetime of
current carriers (b) from the dose γ-irradiation
worse. With the increase of the radiation dose to F~10
9
P, all the parameters worsen
at 25÷30% (Fig. 8).
Accordingly, the lower is the concentration of impurity atoms, the more is the
temperature sensor resistance and higher is the radiation resistance. Thus, in this
dosage range, the reliability and ohmicness of electrical contact practically remain
unchanged.
а) change in resistance b) temperature sensitivity coefficient
Fig. 8. Effect of gamma irradiation on the characteristic parameters
of temperature sensors
The main parameters of the developed temperature sensors and the dependence of
the condition of their hermetization on the radiation dose are given in Table 6.
68
It was revealed that the developed temperature sensors based on silicon with
nanoclusters of nickel atoms do not only have sufficiently high sensitivity and
speed, but also have a sufficiently high radiation resistance, and can be used in
conditions of high radiation level. The increase of the coefficient of temperature
sensitivity at high doses of radiation opens the possibility of creating a temperature
sensor for the remote control of the temperature of various objects located at both
usual and radiation exposure conditions.
Table 6
Impact of γ irradiation (Co
60
) on the operating parameters and
hermetization condition of temperature sensors based on Si<P, Ni>
Irradiation dose, Р
Sensit
ivity
and
recov
ery
time
10
5
10
6
10
7
5∙10
7
10
8
5∙10
8
В,
К
τ ,
sec.
В,
К
τ ,
sec.
В,
К
τ ,
sec.
В,
К
τ ,
sec.
В,
К
τ ,
sec.
В,
К
τ ,
sec.
6800
7000
7200
5÷7
5÷7
5÷7
6800
7000
7200
5÷7
5÷7
5÷7
6750
6950
7150
5÷7
5÷7
5÷7
6700
6900
7100
5÷7
5÷7
5÷7
6650
6850
7050
5÷7
5÷7
5÷7
6600
6800
7000
5÷7
5÷7
5÷7
Herm
etizati
o
n
con
dition
no changes no changes no changes
colour
changed
destruction
complete
destruction
The fifth chapter titled
“Development of the temperature measuring
transducer on the basis of the temperature sensor”
is devoted to the study of the
basic parameters of measuring transducers, their structural and parametric design,
taking into account the sensitivity criterion, linearity of static characteristics and
accuracy, as well as the development of a five-channel device on the basis of the
measuring transducer, the study of the error sources of the measuring transducer
and the development of the methods of their compensation.
Depending on the sensitivity and resistance of the temperature sensor, they
are switched with a divider resistor, a bridge circuit and with two temperature
sensors.
For the dividing measuring circuit, the output voltage U
out
is equal to
R
U Uп
T
1
=
(4)
out
+
R R
T
1 2
When the temperature changes, the resistance of the measuring transducer
R
T1
changes to R
T1
ε
1
and equals
R
T1
(1+ε
1
),
where ε=ΔR
g
/R
g
and the output voltage is determined by
69
K
1
U
out
U
ps ps
+
+
=
(5)
−
U
( 1) ( 1 )
1
K
+
K K
where К=R
T1
/R
2
symmetry coefficient of the circuit or in a simplified form,
we obtain
(6)
=
KK
1
U
out
U
ps
(
+
1)
2
For bridge measuring circuit based on К=R
T1
/R
2
= R
3
/R
4
we have
K
1
U
out
U
ps
+
+
+
=
(7)
( 1)( 1 )
1
K K K
or when the two temperature sensors are included in the opposite arms of a
bridge measuring circuit, its sensitivity significantly increases, and the output
voltage is calculated as follows:
=
KK
+
U
out
U
ps
(8)
( )
( 1)
2
1 2
+
For the developed silicon semiconductor temperature sensor, the upper
temperature limit is determined by the solder melting point (Tin-lead solder 61
melting point 180°C), with which lead-out electrodes are soldered. The temperature
sensitivity of the developed temperature sensors around the operating temperature
range due to the symmetry of the volt-ampere characteristics remains unchanged.
Their use is determined by the requirements for sensitivity, precision and speed.
This requires choosing a certain type of the temperature sensor, type of lead wires,
protective coating material and incorporating circuitry, each of which in our case
consists of five positions. An example of the proposed table for the choice of the
sensor type is shown below.
As a result of a corresponding arrangement of these elements, a new
structural composition of the measuring transducer can be obtained. All the
presented options of the elements of the measuring transducer are arranged by
quality criteria: sensitivity, cost, reliability, accuracy, linearity, temperature
measuring range, minimum loss, speed, economical efficiency and weight. In Fig.
9a, an example of the design of the measuring transducer is given for the
“sensitivity” criterion, which consists of the following combinations of the
elements from Table 7: 1.3 – 2.1 – 3.4 – 4.1. The most “reliable” design of the
measuring transducer corresponds to the composition: 1.3 – 2.1 – 3.4 – 4.5, the
circuit of which is shown in Fig. 9b.
Through the parametric design of the measuring transducer, we found the
optimal parameter intervals of the operating voltage, which adjust the resistance:
а
1
=U
ps
=1÷10В, а
2
=К=R
1
/R
2
=0.1÷2, а
3
=R=10÷160kohms, а
4
=β=0.2÷6%,
a={a
1
, a
2
, a
3
, a
4
}, (9)
where
;
а
1
=
U
ps
;
а
2
=
К
;
а
3
=
R
а
4
=
,
and by designing the measuring transducer according to the criteria for
70
sensitivity and linearity of static characteristics for the selected structure and,
therefore, taking the static characteristics of the measuring transducer in the form:
=
KK
⋅
(10)
U
out
U
ps
(
+
1)
2
Table 7
Components of the measuring transducer
1. Sensor type
1.1. Cylindrical
1.2. Spherical
1.3. Cubic
3
1
2
1
1
1
4
2
2
2
2
2
3
3
1
3
1
3
3
4
1
4
1
4
3
5
5
5
1
5
3
6
1
6
1
6
3
7
5
7
2
7
4
8
1
8
1
8
1
9
1
9
1
9
4
10
2 10
1
10
1.4. Rod
1.5. Thin film
Quality indicators
2
1
4
1 Sensitivity
1
3
2
1
2 Cost
2
2
3
5
3 Reliability
3
2
4
5
4 Accuracy
4
2
5
1
5 Linearity
5
2
6
5
6 Temp. measuring range 6
4
7
1
7 Minimum losses W
7
3
8
2
8 Speed
8
1
9
1
9 Economical efficiency
9
3
10
1 10 Weight
10
by optimizing with Gauss-Seidel method, we obtained the optimal parameters of
the measuring transducer, which are:
а
1
=U
ps
=6В, а
2
=К=1.4, а
3
=R
g
=110kohms, а
4
=β=5.8%.
а) to the separating thermistor b) to the microprocessor device
Fig. 9. Wiring of the measuring transducer
By revealing the areas of the required sensitivity, linearity of static
characteristics, accuracy and speed, respectively, we have developed an improved
71
version of the new generation of the microprocessor device for measuring the
temperature (Fig. 10), which includes a circuit block of the input amplifier, power
generator unit, power supply units and digital part with the microcontroller, which
allowed obtaining operative reliable data on the temperature of the surface,
measurement medium and temperatures in the object, as well as the dynamics of its
change.
We also introduced in the device structure the elements that represent parts of
the code control unit program, which in terms of functionality play a very important
role and include them in the block diagram of the device in separate blocks for easy
perception of the block diagram.
S-temperature sensor with a measuring circuit; C
i
-controllers (i=1÷5); A-amplifier; F-filters; C
controller; VRS-voltage reference source; RAM-Random Access Memory; ADC-analogue-to
digital converter; DC-digital converter; PS-power supply; SB-system bus; GMC-generator of
measuring current; WS-working standards; EEPROM SW- Electrically Erasable Programmable
Read-Only Memory software; EEPROM DB and C Electrically Erasable Programmable Read
Only Memory data buffer and configurations
Fig. 10. Structural diagram of the measuring device
The technical specifications of the microprocessor temperature measure are
shown in Table 8.
In order to ascertain the smooth and stable operation of the developed
measuring instrument, we assessed its errors and considered the ways to reduce it.
In particular, to reduce the errors introduced by the nonlinearity of static
characteristics, we provided the range limit, the displacement of the range and
nonlinearity correction using microprocessor units. The maximum value of the
error is quantitatively equal to the degree of the nonlinearity, which is determined
by the formula:
72
U U
−
outnl outl
=
(11)
0.5 100%
nl
U U
−
out
max
ent
min
where U
outnl
, U
outl
- nonlinear and linear values of the output signal of the
measuring transducer, and the errors associated with the dynamic error of the
measuring transducer are in the form of absolute
Δ
(
)
=
(
)
−
(
→ ∞
)
А
U
out
U
out
U
out
(12)
or relative dynamic error
U U
( ) ( )
− → ∞
Δ
=
out out
U
(13)
( )
→ ∞
100%
rel out
U
out
( )
Table 8
Technical characteristics of the new generation microprocessor device
Number of measuring channels
5
Range of measured temperature,
0
С
-50, +200
Type of sensors
temp.sensor Si<Р,Ni >
Resolution, °С
0.2; 1;2
Mean time to failure, hour
not less than 3000
Operation mode setup time, sec.
no more than 3
Mounting dimensions, mm
96 х 50 х 110
Weight, kg
no more than 0.4
Average life, years
10
Display readings
on the LED display,
on the PC
Maximal period of a survey of all the channels, sec.
8
Software
for Windows
Permissible operating temperature, °С
-10+50
Atmospheric pressure, kPa
80-107
Relative humidity at 35 °C
no more than 80
%
Accuracy
±(0.4% Тch + 1 K)
1
Repeatability
±(0.4% Тch + 1 K)
1
Resolution
1°С
Limits of allowable main error of temperature measurements in
the temperature range from 0 °C to 100 °C in the measurements
using the individual static characteristics (ISC) of the temperature
sensor, °C
± 0.05
Limits of allowable errors in the temperature range from -50 °C to
0 °C and from 100 °C to 200 °C in the measurements using the
ISC of the temperature sensor, °C
± 0.1
Limits of allowable additional error due to the deviation of the
ambient temperature from the normal range of values (20 ± 5) °C
in the measurement of temperatures from 0 °C to 100 °C using
the ISC of the temperature sensor, °C
± 0.05
It is proposed to reduce the design choice, providing the reduction of thermal
inertia, as well as the introduction of the electrical corrective devices.
73
It is experimentally shown that the introduction of the corrective feed-back
using the operational amplifier leads to the reduction of the transient process time
to one Fig. 11, 12. According to the technology develop-ped by us, standardized
temperature sensors can be manufactured with tolerances of ±0.2 °C or ±0.1 °C in
the range of 0÷100 °C and with less accuracy in the area of -60 °C and +150 °C.
1-
without correction; 2- with the feedback circuit
Fig. 11. The scheme of dynamic error
correction of the measuring
transducer with feedback
Fig. 12. Transitional processes in the
temperature transducer with a
temperature sensor
Thus, the denominations of the temperature sensors made according to the
developed technology (at 25 °C) are respectively: 100÷500 ohms; 1÷300 kilohms
and 1 megohms. Among them, the temperature sensors with large denominations
are interchangeable for different manufacturers and have a variation nominal
resistance less than ± 5%.
When a consignment of semiconductor temperature sensors was made in the
amount of 1000 pieces, the nominal resistance variation did not exceed ±5%.
In the
appendix
of the dissertation, the method of measuring, static processing and
software algorithm for the control of measuring devices are presented, as well as
the listing of the main program file is created.
CONCLUSION
On the basis of the conducted researches on the theme of the doctoral
dissertation “Development of a silicon-based temperature sensor with the
nanoclusters of nickel atoms and its manufacturing technology”, the following
conclusions are presented:
1. A new method of nickel diffusion in silicon was proposed, consisting in
carrying out a diffusion in an increasing temperature mode at a speed of 5÷10
degrees/minute in the temperature intervals of 600÷1250 °C, which provides
obtaining nickel nanoclusters in bulk silicon.
2. In order to obtain an ohmic contact with improved adhesion to the silicon
surface, on which a diffusion of nickel was performed, we propose to make the
deposition of a thin layer (3 microns) of nickel metal with a chemical process
followed by heat treatment at 650 degrees Celsius for 10 minutes.
3. For the first time the principles of creating a silicon-based temperature
sensor with nickel nanoclusters having a high sensitivity (7800 K) and stability of
74
output characteristics, and a technological route of its manufacturing were
proposed.
4. It was proved that when exposed to gamma radiation with a dose of 10
6
roentgens, the specific resistivity of the silicon temperature sensors doped with
nickel remains unchanged, and with the increase of the radiation dose up to 10
8
roentgens, the coefficient of the temperature sensitivity increases by 10%.
5. By means of computer modeling, depending on the desired factor
(sensitivity, cost, accuracy, reliability, etc.), methods of structural parametric design
of the measuring transducer allowing to select the proper form of the sensor,
contact terminals, a protective layer of the sensor and parameters of the measuring
system were proposed.
6. The relationship was established between the corrective (linearized
measurement parameter) resistances and the sensitivity of the temperature sensor,
which allowed revealing the area of maximal sensitivity of the sensor in the
electronic circuit.
7. By selecting the corrective resistances and a temperature interval in the
required vicinity, the possibility of reducing the errors of temperature sensors аrom
10% up to 2%, was revealed, which is conditioned by the nonlinearity of their static
characteristics and thermal inertia.
75
ЭЪЛОН ҚИЛИНГАН ИШЛАР РЎЙХАТИ
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
LIST OF PUBLISHED WORKS
I бўлим (I часть; I part)
1. Эгамбердиев Б.Э., Бахадирхонов М.К. Насриддинов С.С. / Наноструктур
ные полупроводниковые терморезисторные датчики «Шарқ», Тошкент.
2013 157 бет.
2. Патент РУз № IAP 04778 от 10.10.2013. Расмий ахборотнома, №11.
29.11.2013 // Термодатчик. Бахадирхонов М.К., Эгамбердиев Б.Э., Насрид
динов С.С., Зикриллаев Н.Ф., Валиев С.А.
3. Насриддинов С.С. / Разработка методов компенсации погрешностей изме
рительных преобразователей на основе полупроводниковых датчиков. //
Журнал. Проблемы энерго и ресурсоснабжения. Тошкент. 2015г.,1-2,
с.198-204. [05.00.00, №21]
4. Насриддинов С.С. / Методика проектирования измерительных преобразо
вателей с полупроводниковыми датчиками на основе материалов с нано
кластерами атомов никеля. // Ҳалқаро илмий-техникавий журнал. Кимё
вий технология назорат ва бошқарув. Тошкент. 3/2012, -С. 34-39. [05.00.00,
№12]
5. Насриддинов С.С. / Методика исследования параметров и характерис-тик
полупроводниковых термодатчиков. // Тош ДТУ хабарлари. Тошкент. 1-
2/2012, -С. 29-34. [05.00.00, №16]
6. Эгамбердиев Б.Э., Насриддинов С.С., Зикриллаев Н.Ф. / Источники погреш
ности измерительных преобразователей на основе полупроводниковых
датчиков и разработка методов их компенсации. // Ҳалқаро илмий-тех
никавий журнал. Кимёвий технология. Назорат ва бошқарув. 2/2012, -С. 30-
35. [05.00.00, №12]
7. Rysbaev A.S., Tashatov A.K., Dzhuraev Sh.X., Khuzhaniyazov Zh. B.,
Arzikulov G., Nasriddinov S.S. / On New Two-Dimensional Structures
Produced on the Si (111) and Si (100) Surface upon Molecular-Beam Epitaxy of
Cobalt and Silicon. // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and
Neutron techniqus, 2011,Vol.5, No.6, -Р.1193-1196. [№11, Springer, IF=0.359]
8. Эгамбердиев Б.Э., / Насриддинов С.С. Многоканальный прибор для
дистанционного контроля температуры объектов. // Журнал. Проблема
энерго и ресурсоснабжение. Тошкент.1-2 /2011,-С.172-175. [05.00.00, №21]
9. Насриддинов С.С. / Структура прибора для измерения температуры с
помощью датчика на основе кремния с нанокластерами никеля. // Журнал.
Проблема энерго и ресурсоснабжение. Тошкент. 3-4/2011, -С.145-150.
[05.00.00, №21]
10. Эгамбердиев Б.Э., Насриддинов С.С. / Исследование термодатчиков на
основе Si<P, Ni> при экстремальных условиях Ҳалқаро илмий-техникавий
журнал. // Кимёвий технология. Назорат ва бошқарув. Тошкент. 2010 й. № 3
(33), -С.54-56. [05.00.00, №12]
76
11. Bakhadyrkhanov M.K., Valiev S.A., Egamov U., Nasriddinov S.S. / Features of
Thermal Properties of Strongly Compensated Si<B,Mn> // InorganicMaterials,
2009, V.45, No.11, -Р.1210-1212. [№11, Springer, IF=0.556]
12. Насриддинов С.С. / Анализ методов измерения температуры. / Вестник
ТашГТУ, Ташкент. 1-2/2009, -С.23-27 [05.00.00, №16]
13. Зикриллаев Н.Ф., Тачилин С.А., Валиев С.А., Отахонов А.С., Pашидов А.,
Насриддинов С.С. / Прибор для дистанционного одновременного контроля
температуры нескольких объектов. // Кимё технология назорат ва бошқа рув.
Ташкент. 1/2008, -С. 59-60. [05.00.00, №12]
14. Насриддинов С.С., Тачилин С.А., Валиев С.А., Отахонов А.С. / Прибор
для дистанционного одновременного измерения температуры нескольких
объектов // Вестник ТашГТУ, Ташкент. 3/2007, -С. 37-40. [05.00.00, №16]
15. Bakhadyrkhanov M.K., Valiev S.A., Tachilin S.A., Nasriddinov S.S. / Sensitive
thermosensors on the bases of highly compensated silicon. // Surface Engineering
and Applied Electrochemistry, 2007, Vol.43, No.6, -Р. 505-507. [№11, Springer,
IF=0.289]
16. Normuradov M.T., Tashatov A.K., Rysbaev A.S., Nasriddinov S.S., Khuzha
niyazov Zh.B., Yldashev Yu.Yu., Kholikov Yu.D. / Variations in the Electro nics
Structure of the Silicon Near-Surface Region during Implantation of Phosphorus
and Boron Ions. // Journal of Communications Technology and Electronics,
2007, Vol.52, No.8, Р. 898-900., [№11, Springer, IF=0.388]
II бўлим (II часть; II part)
17. Насриддинов С.С. / Исследование термодатчиков на основе Si<P,Ni> //
Журнал Нано-электронная физика. Киев. Том 7, 3 03037 (5сс) 2015г. 18.
Насриддинов С.С. / Технология получения термодатчика с нанокластера ми
атомов никеля. // Журнал Нано-электронная физика. Киев. Том 5, 4,04001
(3сс) 2013г
19. Tashmatov H.Azimbaev N.Kalandarov P., Nasriddinov S.S. / The multifunction
heat sensor of level. // Advanced science open access journal, ISSUE 5,
December 2012, ISSN 2219-746X, Р. 96-100.
20. Эгамбердиев Б.Э., Насриддинов С.С., Валиев С.А. / Разработка нового спо
соба диффузионного легирования для формирования нанокластеров при
месных атомов никеля Республика илмий-амалий анжуман материал-лари.
Қарши. 2012, -С. 40-42.
21. Бахадирхонов М.К., Эгамбердиев Б.Э., Насриддинов С.С., Абдурахманов
Б.А. / Высокочувствительный термодатчик для дистанционного контроля
температуры объектов. // 2-Международная конференция по оптическим и
фотоэлектрическим явлениям в полупроводниковых микро и нанострук
турах. Фергана. 8-9-сентябрь 2011, -С. 293-295.
22. Рысбаев А.С., Хужаниязов Ж.Б., Насриддинов С.С., Арзикулов Г.П.,
Рахимов А. / Гетероструктурных переходов BaSi-Si, NaSi-Si. // Респуб лика
илмий-техник конференцияси материаллари. Фаргона. 2011, -С. 66- 68.
77
23. Насриддинов С.С. / Термодатчик на основе кремния с нанокластерами
атомов никеля Узбекистоннинг инновацион тараккиёти-ёшлар нигохида.
Ташкент. 2010, УзНУ, -С.155-158.
24. Эгамбердиев Б.Э., Насриддинов С.С., Атаханов А.С. / Терморезисторы на
основе кремния с кластерами атомов никеля Материалы меж. конфе
ренции. // Фундаментальные и прикладные вопросы физики. Ташкент. 24-
25-ноября, 2010, -С. 309-310.
25. Аюпов К.С. Эгамбердиев Б.Э., Насриддинов С.С., Исамов С., Саттаров
О.Э. / Датчики температуры и магнитного поля на основе кремния с нано
кластерами атомов марганца и никеля. // Тезиси док. 7-Международной
конференции «Кремний-2010» Нижний новгород, 6-9 июля 2010, -С.187.
26. Аюпов К.С., Илиев Х.М., Валиев С.А., Тачилин С.А. / Разработка и соз
дание прибора для дистанционного управления температурой сельхоз
продуктов. // Интеграция образования, науки и производства МГТУ Моск
ва, 23-апреля, 2008, -С.7-9.
27. Зикриллаев Н.Ф., Насриддинов С.С., Аюпов К.С. / Хаос и самоорганизация
в сильнокомпенцированном кремнии. // Республиканская научно технической
конференции «Истиклол» Москва-Навои 2007, -С. 177-179.
28. Risbaev A.S. Yuldashev Yu.Yu., Nasriddinov S.S. Djuraev Sh.H. / Thin silicide
films: producing and properties. // 8-th international Conference Solid state
physics. Abstracts. Almaty 2004, Р. 353-354.
78
Автореферат “Тил ва адабиёт таълими” журнали таҳририятида
таҳрирдан ўтказилди (12.05.2016 йил)
Босишга рухсат этилди: 08.07.2016
Бичими 60х84 1/16, «Times New Roman»
гарнитурада рақамли босма усулида босилди
Шартли босма табоғи 5. Адади: 100. Буюртма №______
Ўзбекистон Республикаси ИИВ Академияси,
100197, Тошкент, Интизор кўчаси, 68
«АКАДЕМИЯ НОШИРЛИК МАРКАЗИ» ДУК
79
80
