Полупроводниковый первичный измерительный преобразователь тепловых параметров в процессах деформации и разрушения Текст научной статьи по специальности «Физика»

т

Рис. 1. Стандартный (1) и измененный (2) режимы спекания порошковых магнитов

ступенчатый нагрев до температуры на 10° ниже температуры плавления [3]. После выдержки в течение одного часа и последующей термомагнитной обработки образцы имели значения коэрцитивной силы на 2-4 кА/м превышающие обработанные по стандартной

технологии. Одновременно это привело к увеличению магнитной энергии.

Повышение значений основных магнитных характеристик связано с изменением механизма формирования центров кристаллизации однодоменных частиц. При медленной скорости нагрева и проведении спекания при температурах, близких к температуре плавления, формируется гомогенная структура с максимальным количеством центров кристаллизации, имеющих меньшие размеры. При термомагнитной обработке выделяются более тонкие однодоменные частицы, то есть с высокой степенью анизотропии формы. Такой режим спекания приводит к снижению пористости образцов, что также способствует увеличению основных магнитных характеристик высококоэрцитивных сплавов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Довгалевский Я.М. Легирование и термическая обработка магнитотвердых сплавов. М.: Металлургия, 1971. 176 с.

2. Гавриш А.П. Шлифование и доводка магнитных материалов. Л.: Машиностроение, 1985. 117 с.

3. Рудницкий Ю.В., Беляев И.В., Чабан И. П. и др. Определение температур плавления магнитотвердых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. № 6. С. 42-43.

УДК б21.3.032:539.23

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ В ПРОЦЕССАХ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ

© А.П. Королев, В.П. Шелохвостов, В.Н. Чернышов

Россия, Тамбов, Государственный технический университет

Korolev A.P., Shelokhvostov V.P., Chernyshov V.N. The semiconductor prime initial transformer of heat parameters in processes of deformation and destruction. In the article, calculations of structure and electro-physical parameters of the prime initial transformer of heat values, main technological regimes are adduced. The possibility of application of transformer for material diagnosis after deformation and destruction is described.

Пластическая деформация и разрушение сопровождаются нарушением теплового баланса деформируемого тела, создают в областях концентрации напряжений неоднородные тепловые поля, при этом меняются также теплофизические характеристики материала (теплопроводность, температуропроводность и др.).

Количественная оценка изменений указанных характеристик может дать дополнительные сведения о физике проходящих процессов в зоне пластической деформации и разрушения. Трудности исследования в этом случае связаны с небольшими количественными изменениями и необходимостью определения теплофизических величин с высокой локальностью. В настоящее время эти вопросы могут решаться с привлечением средств интегральной электроники, значительно увеличивающей точность и локальность измерений.

В работе была поставлена задача выбора пригодной для этого полупроводниковой структуры, определения конструкции, методики расчета геометрических, топологических, электрофизических параметров, техноло-

гии изготовления ячейки первичного измерительного преобразователя (ПИП) тепловых величин.

Предлагаемая ячейка ПИП создана на базе МДП-структуры и приведена на рис. 1.

Принцип работы ПИП основан на термогенерации основных носителей заряда (электронов) и, как следствие, увеличении выходного тока при внешнем нагреве ячейки. Отклонение выходного сигнала в результате внутреннего нагрева, связанного с прохождением тока, менее 1%. Подробно работа ПИП описана нами в [3].

В результате проектирования необходимо получить модель температурной зависимости выходного тока преобразователя, определить его входные электрические, геометрические и топологические параметры, рассчитать основные технологические режимы, влияющие на точность выходных характеристик. Для расчетов и моделирования выбран кремний, легированный фосфором с электронной проводимостью, удельным сопротивлением р = 3,0 Ом-см и концентрацией легирующей донорной примеси Мп = 1,5-1015 см-3.

Рис. 1. Структура ячейки ПИП: 1 - монокристалл кремния и-типа; 2 - области исток - сток и+-типа; 3 - диэлектрический слой 8Ю2; 4 - контакты к областям сток - исток; 5 - контакт к затвору; 6 - подзатворный диэлектрик; 7 - канал; 8 - область объемного заряда; 9 - защитный слой 8Ю; 10 - тепловой поток

Рис. 2. Зависимость поверхностного заряда от напряжения на затворе Ув при различных значениях температуры и напряжениях на стоке IЪ

Рис. 3. Зависимость выходного тока от температуры при толщине и подзатворного диэлектрика и напряжении Ув на затворе. 1 - и = 0,15 мкм Ув = 6 В, 2 - и = 0,2 мкм Ув = 7 В,

3 - и = 0,2 мкм Ув = 6 В, 4 - и = 0,15 мкм Ув = 5 В, 5 - й? = = 0,2 мкм Ув = 5 В

50 100 150 200 250 % мин

Рис. 4. График функции ^ = 0,021>/?

Вследствие термогенерации носителей заряда при воздействии температуры увеличивается заряд в подложке. При подаче на затвор положительного потенциала под оксидом между истоком и стоком формируется созданный электронами поверхностный заряд, определяющий искривление энергетических зон. Плотность поверхностного заряда определяется величиной искривления зон:

- Ув +1 Уэ +

2Т Щ N°

Є Пі

8 0Є с

(2)

Здесь Ув - напряжение на затворе, Ув - напряжение на стоке, к - постоянная Больцмана, Т - температура, ^ -толщина подзатворного диэлектрика, 8 0 и 8 СіС>2 - диэлектрические проницаемости вакуума и диоксида кремния соответственно, пі - собственная концентрация носителей, Є - элементарный заряд.

Результаты расчетов поверхностной плотности заряда для различных напряжений на затворе и стоке приведены в графическом виде (рис. 2).

Как видно, значения заряда увеличиваются в отрицательную область, что объясняется знаком основных носителей. Исходя из этого, выбраны значения Ув > 5 В и Ув = 3 В.

Приведенные данные позволяют получить аналитическую зависимость выходной характеристики преобразователя. Вывод зависимости приведен ниже.

Проводимость канала подзатворного слоя описывается следующим выражением [1]:

х,

(3)

где 1 - ширина канала, Ь - длина канала (расстояние между истоком и стоком), с - удельная проводимость, - глубина под затвором. Удельная проводимость зависит от концентрации носителей и их подвижности:

с(х) = еи(х)ди (х). (4)

Здесь и(х) - концентрация и ци(х) - подвижность носителей. Подставляя (4) в (3), получаем, принимая ци(х) не зависящей от х:

2

а

g = eZTJL /с (x )dx = LЦ n QS I

L

(5)

В соответствии с законом Ома ток стока (выходной

ток):

Id = it = LVsd ^nQs|

(б)

Таблица 1

Влияние времени окисления на толщину оксидного слоя

t, мин 30 45 б0 75 90 120 150 210 270 330

d, мкм 0,1 0,15 0,17 0,2 0,22 0,27 0,3 0,31 0,34 0,35

Таблица 2

где ¥30 - разность потенциалов между истоком и стоком.

Подставим в (6) выражение для QS :

2kT ND - Vo +\Vd +---------ln-^

Є o Є

0cSiO,

(7)

Получили зависимость 1В от температуры, но с температурой меняется и собственная концентрация носителей п. Поэтому, подставив выражение для п [4] в (7), получаем окончательную формулу для расчета

1в = I (Т):

Id = Т VsdH n Х

- Vo +

2kT

Vd +----------ln

Nr

BT 32exp(- Eaj2kT)

Є0Є&0,

d

(8)

Выведенная зависимость (8) является выходной характеристикой проектируемого преобразователя, анализ которой позволяет определить оптимальные размеры его элементов, уровень входных сигналов и рабочий диапазон температур.

Результаты численного моделирования по (8) приведены на рис. 3.

Как видно из рис. 3, выходные характеристики имеют характер близкий к линейному в диапазоне температур 200-550 К. При более низких температурах чувствительность уменьшается и имеет явно нелинейный характер. В области более высоких температур уменьшение чувствительности определяется насыщением, связанным с резким снижением подвижности носителей из-за рассеяния электронов на ионах кристаллической решетки.

Данные рис. 3 показывают также, что при больших напряжениях уровень выходного сигнала выше; с уменьшением толщины d подзатворного диэлектрика увеличивается крутизна зависимостей, а соответственно, и чувствительность преобразователя; нижняя граница толщины диэлектрика определяется уровнем технологии, которая играет существенную роль в достижении требуемой точности выходных параметров, соответственно, требует дополнительной оценки и экспериментальной проверки.

Наиболее важными и определяющими точность выходных параметров разрабатываемого преобразователя являются формирование подзатворного диэлектрика и легирование областей исток - сток (диффузия).

Экспериментальные и расчетные данные влияния окисления на толщину оксида

t, мин t2 do, мкм do2 do2 t at Va -1

30 900 0,1 0,01 0,3 0,013192 0,1148573 4б

45 2025 0,15 0,0225 1,0125 0,019788 0,140б70945

б0 3б00 0,17 0,0289 1,734 0,12б384 0,1б243281б

75 5б25 0,2 0,04 3 0,032981 0,181б05409

90 8100 0,22 0,0484 4,35б 0,039577 0,198938758

120 14400 0,27 0,0729 8,748 0,0527б9 0,229714б91

150 22500 0,3 0,09 13,5 0,б59б1 0,25б828833

210 44100 0,31 0,09б1 20,181 0,092345 0303883973

270 72900 0,34 0,115б 31,212 0,11873 0344572037

330 108900 0,35 0,1225 40,425 0,145114 0,38093872

В данном случае эти вопросы решались математическим моделированием и экспериментальной проверкой только для подзатворного диэлектрика.

Для экспериментальной проверки изготовлена лабораторная установка, работающая по методу «открытой трубы» с кварцевым реактором 10x300 мм в трубчатой печи СУОЛ 0,1.3/12.5-М1 с регулируемым диапазоном нагрева до 1400 К и рабочим пространством длиной б0 мм, окисление производилось в атмосфере воздуха при температуре 1373 K.

Получены экспериментальные значения толщины d пленки SiO2 в различные моменты времени t. Измерения d проводились цветовым методом, данные по семи образцам усреднялись и представлены в табл. 1.

Анализ экспериментальных данных показывает, что рост толщины пленки соответствует зависимости [2]:

dm = Kt

(9)

где К - константа, определяемая давлением и температурой; ґ - время; т = 2.

Численное значение константы К определялось экспериментально методом наименьших квадратов после вывода аналитической зависимости, в расчетах принимали К = а и <32 = у, тогда у = аґ. Экспериментальные и расчетные данные приведены в табл. 3.

Используя эти данные, получаем значение а и и 4,4-10-4 мкм2/мин.

Соотношение (9) принимает вид:

d2 = 4,4-10-4 t .

(10)

График функции ^ = 0,021л/т , полученный из эксперимента (табл. 2), приведен на рис. 4.

X

d

e n

X

L-

Погрешность оценивалась по известной методике, наибольшее расхождение расчетных и экспериментальных значений наблюдалось при толщинах 0,250,3 мкм и составляло 68 % отклонения, однако в интересующем нас пределе толщин до 0,15 мкм погрешность в пределах допустимого (1-1,2 %).

Таким образом, в работе аналитически получены входные (напряжение на затворе Ув > 5 В, на стоке Ув = 3 В ) параметры и зависимость выходного тока от температуры для первичного измерительного преобразователя тепловых величин на базе МДП-структуры, определен диапазон измеряемых температур (200550 К), рассчитаны геометрические и топологические характеристики (толщина подзатворного диэлектрика ^ = 0,15-0,2 мкм при ширине канала 1 = 500 мкм и длине канала Ь = 50 мкм), технологические режимы с экспериментальной проверкой и оценкой погрешностей.

Проведенные исследования показывают возможность применения данного ПИП для исследования теплофизических характеристик материалов после пластической деформации или разрушения твердых тел с достаточно высокой чувствительностью, локальностью и относительно малой погрешностью измерений. Относительную погрешность измерения температуры можно оценить в пределах 1,2-1,7 %, т. е. в 1,5 раза

меньше по сравнению с традиционными ПИП, например, термопарными.

Разработанный ПИП является, по существу, элементарной ячейкой, на основании которой путем конструкторско-технологической доработки и соответствующих схемотехнических решений можно получить ПИП интегральных величин, таких как тепловой поток, плотность теплового потока, дифференциальную температуру на контролируемой поверхности, что в конечном итоге позволит локально определить такие теплофизические характеристики как теплопроводность, температуропроводность на поверхности деформированных или разрушенных твердых тел.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1. М.: Мир, 1984. 455 с.

2. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Высш. шк., 1979. 367 с.

3. Korolev A.P., Shelokhvostov V.P., Chernyshov V.N. Semiconductor primary initial transformer design for heat values measurement // Transactions of the TSTU. 1999. V. 5. № 5. Р. 536-542.

4. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.

УДК б78.743.б21

ПЛАСТИЧНОСТЬ ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА

© Г.С. Баронин, Ю.М. Радько, М.Л. Кербер*

Россия, Тамбов, Государственный технический университет,

*Москва, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Baronin G.S., Radko Y.M., Kerber M.L. Ductility of polymeric high alloys on the basis on polyvinyl chloride. In connection with the problem of making polymeric materials meeting the requirements of thermoplastics treatment under high pressure in a solid phase (die forging, rolling, extrusion, plate forming, etc.) polymeric high alloys on the basis of polyvinyl chloride with a high ductility are developed. The conceptions developed of the basic mechanisms of structure formation of high alloys with a low shearing resistance and therefore with a high ductility are general for most of the polymeric and metal alloys.

Обработка термопластов давлением в твердом агрегатном состоянии с целью получения изделий методами пластического формоизменения (объемная и листовая штамповка, прокатка, твердофазное выдавливание и др.) является экономичным и высокопроизводительным процессом переработки полимеров [1-3], практическая реализация которого сдерживается из-за ряда нерешенных вопросов. В первую очередь это относится к исследованию механизмов пластической деформации и созданию новых полимерных сплавов с высокой пластичностью.

В качестве объектов исследования были взяты суспензионный поливинилхлорид (ПВХ) марки С-70 и его сплавы с изопренстирольным (ИСТ-30) и дивинилсти-рольным (ДСТ-30) термоэластопластами. Исследование полимерных сплавов представляет особый интерес

в связи с проблемой создания полимерных материалов, отвечающих требованиям процесса пластического формоизменения в условиях высокого давления. Прогресс здесь может быть достигнут путем легирования полимеров различными добавками, в частности полимерными.

Исследование структурно-механических и релаксационных свойств сплавов, а также изготовление образцов для исследований проводили по методикам, изложенным в работах [2, 3]. Предел текучести стт и предельную степень деформации а в условиях одноосного растяжения определяли на разрывной машине типа Поляни при скорости приложения нагрузки 40 мм/мин.

Температуру главного релаксационного а-перехода (температуру стеклования) Тс и температуру Р-пере-хода Тр полимерных сплавов определяли дилатометри-