【摘 要】
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针对地热与火力发电、石油化工、汽车工业、航空航天、冶金等高温领域存在测温范围窄、测温不灵敏和实时测温困难的问题,如何实现对高温领域的高灵敏度实时高温测量以及在宽温度范围内的线性输出已成为研究焦点。以上高温领域测温存在的问题具体包括:火力和地热发电厂的蒸汽锅炉及控制电路装置的高温测量范围窄、炼钢厂的风炉和管道等设备的实时测温困难、机车发动机及其气缸的过热保护电路的测温不灵敏等,为解决这些问题,现在迫
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针对地热与火力发电、石油化工、汽车工业、航空航天、冶金等高温领域存在测温范围窄、测温不灵敏和实时测温困难的问题,如何实现对高温领域的高灵敏度实时高温测量以及在宽温度范围内的线性输出已成为研究焦点。以上高温领域测温存在的问题具体包括:火力和地热发电厂的蒸汽锅炉及控制电路装置的高温测量范围窄、炼钢厂的风炉和管道等设备的实时测温困难、机车发动机及其气缸的过热保护电路的测温不灵敏等,为解决这些问题,现在迫切需要一种能够适用于高温条件,并且具有测温范围宽、高灵敏度实时测温功能的温度传感器。针对以上需求,本论文利用COMSOL Multiphysics软件,设计并仿真了一种基于n-Si衬底的metal/n-Zn O肖特基二极管,对于不同参数（金属、n-Zn O的膜厚及掺杂浓度）下的二极管,在常温（298 K）、高温（523 K～873 K）条件下对其电流密度-电压（J-V）特性进行了仿真和分析,最终的结果表明,该肖特基二极管不但适用于高温（523 K～873 K）环境,而且实现了高灵敏度实时测高温（523 K～873 K）以及宽温度（350 K）范围测量的线性输出,这为具有测温范围宽、高灵敏度实时测高温功能的半导体器件的研究开拓了新的思路。本论文的主要研究内容和结果具体如下:论文首先介绍了肖特基二极管温度传感器的发展现状,同时也讨论了不同结构的二极管传感器的优缺点。紧接着以N型半导体为例,介绍了肖特基二极管的基本原理,利用金属-半导体接触理论解释了二极管的肖特基接触、电流传输机制、表面态和镜像力对势垒高度的影响以及欧姆接触,这些内容为基于metal/n-Zn O/n-Si结构的肖特基二极管的设计奠定了理论基础。其次介绍了n-Zn O半导体材料的性能优势、二极管选用的金属材料、利用COMSOL Multiphysics软件设计并仿真了metal/n-Zn O/n-Si肖特基二极管,对于不同参数（金属、n-Zn O的膜厚及掺杂浓度）下的二极管,在常温条件下,对其电流密度-电压（J-V）特性进行了仿真及分析,得出了以上参数对其J-V特性的影响,最后得出二极管的优化结构,即选择常温下J较小的二极管结构进行高温探测,这样温度相对便成为对J的主要影响因素。故对于Cu、Ni、Pt/n-Zn O/n-Si三种结构的二极管,分别选择Zn O膜厚为120nm、220nm、220nm;掺杂浓度均为1010/cm~3,以便用于高温传感。第三,完成了对基于metal/n-Zn O/n-Si结构的肖特基二极管在高温（523 K～873 K）范围内的J-V特性测试,结果显示:若施加的偏压范围为-1～1V时,该二极管的正向开启电压,随着温度由523 K至873 K的升高而逐渐减小,不同温度下的开启电压与温度为近似线性关系;当温度升高的时候,J-V特性曲线从右至左而偏移。高温下,与偏压相比,温度对J的影响更加显著;与正向偏压相比,加载反向偏压时,不同温度下的电流密度之间区分的更加明显。最后,根据计算结果,选取Pt/n-Zn O/n-Si结构的二极管,用于加载正向偏压时的高温（523 K～873 K）传感,此时二极管还具有良好的整流特性,它的温度探测范围大（350 K）,响应灵敏度为1.32 m V/K,V-T拟合度R~2为0.998,功耗为35 n W～0.21μW;加载反向偏压时,选取Cu/n-Zn O/n-Si结构的二极管进行高温（523 K～873 K）探测,它的温度探测范围大（350 K）,响应灵敏度高为6.35μA/K,J-T拟合度R~2为0.986,功耗为8.34μW～1.16 m W。相对于一般传感器只能测到673 K附近的温度,该传感器测温更高（873 K）,实时测温范围宽（350 K）、具有较高的灵敏度,与温度相关性显著增强,耗能低、尺寸小、成本低、响应时间短、性能稳定,解决了目前的温度探测器的温度探测范围较窄、对大幅度温度波动探测不灵敏以及难以实时测量高温等问题,也将在微纳高温传感领域具有广阔的发展空间及应用前景。
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