半導(dǎo)體陶瓷與敏感電子材料

1、半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體瓷：半導(dǎo)體瓷：V106cm半導(dǎo)體瓷：傳感器用，作為敏感材料，電半導(dǎo)體瓷：傳感器用，作為敏感材料，電阻型敏感材料為主：阻型敏感材料為主： V或或S對熱、光、電壓、氣氛、濕度敏對熱、光、電壓、氣氛、濕度敏感，故可作各種熱敏、光敏、壓敏、氣感，故可作各種熱敏、光敏、壓敏、氣敏、濕敏材料。敏、濕敏材料。1. BaTiO3半導(dǎo)體瓷半導(dǎo)體瓷 a. PTC熱敏電阻瓷熱敏電阻瓷 PTC熱敏電阻熱敏電阻b. 半導(dǎo)體電容器瓷半導(dǎo)體電容器瓷 晶界層電容器、表面層電晶界層電容器、表面層電容器容器2. NTC熱敏半導(dǎo)體瓷（由熱敏半導(dǎo)體瓷（由Cu、Mn、Co、Ni、Fe等過渡金屬氧化物燒成，二元

2、、三元、多元系）等過渡金屬氧化物燒成，二元、三元、多元系）NTC熱敏電阻熱敏電阻種類：種類：概述概述 半導(dǎo)體陶瓷按照利用的物性分類可分為：半導(dǎo)體陶瓷按照利用的物性分類可分為： 1. 利用晶粒本身性質(zhì)：利用晶粒本身性質(zhì)：NTC熱敏電阻；熱敏電阻； 2. 利用晶粒間界及粒界析出相性質(zhì)：利用晶粒間界及粒界析出相性質(zhì)：PTC熱敏電阻器，熱敏電阻器，半導(dǎo)體電容器（晶界阻擋層型）；半導(dǎo)體電容器（晶界阻擋層型）； 3. 利用表面性質(zhì)：半導(dǎo)體電容器（表面阻擋層型）；利用表面性質(zhì)：半導(dǎo)體電容器（表面阻擋層型）；概述 普通半導(dǎo)體普通半導(dǎo)體T0，即，即T，v，原因是載流，原因是載流子數(shù)目子數(shù)目； 絕緣體絕緣體T0，

3、即，即 T，v，原因是雜質(zhì)電離，原因是雜質(zhì)電離基質(zhì)電離；基質(zhì)電離； 金屬金屬 T0 即即T, v 原因是振動加劇，散射原因是振動加劇，散射， B曲線曲線； PTC T0，A曲線曲線 NTC T0，C曲線曲線 CTR T0，D曲線曲線電阻與溫度的關(guān)系電阻與溫度的關(guān)系熱敏電阻熱敏電阻 1950年，荷蘭年，荷蘭Phillip公司的海曼（公司的海曼（Haayman）等人）等人在在BaTiO3中摻入稀土元素（中摻入稀土元素（Sb、La、Sm、Gd、Ho、Y、Nb）時發(fā)現(xiàn)）時發(fā)現(xiàn)BaTiO3的室溫電阻率降低到的室溫電阻率降低到101104cm，與此同時，當(dāng)材料溫度超過居里溫度時，在幾十度的范與此同時，當(dāng)材

4、料溫度超過居里溫度時，在幾十度的范圍內(nèi)，電阻率會增大圍內(nèi)，電阻率會增大410個數(shù)量級，即個數(shù)量級，即PTC效應(yīng)。效應(yīng)。1. PTC熱敏電阻簡介熱敏電阻簡介 PTC熱敏電阻熱敏電阻 PTCR的實(shí)用化從本世紀(jì)的實(shí)用化從本世紀(jì)80年代初開始。年代初開始。 已大量應(yīng)用于彩電、冰箱、手機(jī)等家用電器。已大量應(yīng)用于彩電、冰箱、手機(jī)等家用電器。 PTCR種類多樣化，應(yīng)用基礎(chǔ)均取決于電阻溫度種類多樣化，應(yīng)用基礎(chǔ)均取決于電阻溫度特性、電壓電流特性及電流時間特性。特性、電壓電流特性及電流時間特性。 PTC熱敏電阻熱敏電阻 電阻溫度特性（阻溫特性）IW T I過熱保護(hù)、恒溫加熱過熱保護(hù)、恒溫加熱 PTC熱敏電阻熱敏電

5、阻 Tm in T1 T2 min1 2 T特性是特性是PTC熱敏熱敏電阻最基本的特性，電阻最基本的特性，通過通過T特性可以求特性可以求得得PTC熱敏材料最基熱敏材料最基本的參數(shù)。本的參數(shù)。TmaxTmax PTC熱敏電阻熱敏電阻 I: TTmin，負(fù)溫區(qū)（，負(fù)溫區(qū)（NTC區(qū)）區(qū)） II. TminTTmax，正溫區(qū)（，正溫區(qū)（PTC區(qū)）區(qū)） III.TTmax，負(fù)溫區(qū)（，負(fù)溫區(qū)（NTC區(qū)）區(qū)）對對區(qū)：區(qū)：取對數(shù)，并利用對數(shù)換底公式得：取對數(shù)，并利用對數(shù)換底公式得： 00TTAeRR12121212lglg303.2loglog303.2TTRRTTAAdTdRRT1（溫度系數(shù)）（溫度系數(shù)）P

6、TC熱敏電阻熱敏電阻工程上用以下參數(shù)表征材料（或器件）性能：工程上用以下參數(shù)表征材料（或器件）性能： 室溫電阻率室溫電阻率25：25時測得零功率電阻率時測得零功率電阻率（彩電消磁器、冰箱啟動器：（彩電消磁器、冰箱啟動器：10102cm， 加熱器：加熱器：102104cm） 最大電阻率與最小電阻率之比：最大電阻率與最小電阻率之比： )lg(minmax7)lg(minmax（跳躍數(shù)量級）（跳躍數(shù)量級） 目前目前PTC熱敏電阻熱敏電阻最大電阻率溫度系數(shù)：作曲線的切線，在斜率最大的切線最大電阻率溫度系數(shù)：作曲線的切線，在斜率最大的切線上取兩點(diǎn)上取兩點(diǎn)T1、T2則則 早期早期max10或或2030。

7、近年來，近年來，40溫度范圍內(nèi)溫度范圍內(nèi)max達(dá)達(dá)30，20溫度范溫度范圍內(nèi)圍內(nèi)max達(dá)達(dá)4050。 1212maxlglg303.2TT PTC熱敏電阻熱敏電阻開關(guān)溫度開關(guān)溫度Tb：2min所對應(yīng)的較高溫度所對應(yīng)的較高溫度.（TbTc） 希望希望25系列化，系列化， 盡可能大，盡可能大，max盡可能高，盡可能高，Tb系列化。系列化。minmaxlg PTC熱敏電阻熱敏電阻minmaxminmaxminmax當(dāng)當(dāng)nA/nD，則，則25，max， ； 當(dāng)當(dāng)T燒燒，t保保，max ，當(dāng)當(dāng)Tb時，時，25，max， 。 PTC熱敏電阻熱敏電阻但是各參數(shù)之間互相影響，只能綜合考慮：變但是各參數(shù)之間互相

8、影響，只能綜合考慮：變化規(guī)律：以最佳半導(dǎo)化為準(zhǔn)化規(guī)律：以最佳半導(dǎo)化為準(zhǔn) 電壓電流特性（伏安特性）線性區(qū)線性區(qū)躍變區(qū)躍變區(qū)I I 0Vk：不動作區(qū)，：不動作區(qū)，V與與I關(guān)系符合歐姆定律關(guān)系符合歐姆定律 VkVmax：躍變區(qū)，：躍變區(qū)， 躍變躍變，I Vmax以上：擊穿區(qū)，以上：擊穿區(qū)， ， V ，I，熱擊，熱擊穿穿過電流保護(hù)過電流保護(hù)過載保護(hù)過載保護(hù)額定電壓額定電壓最大工作電壓最大工作電壓外加電外加電壓壓VmaxVmax時的殘時的殘余電流余電流外加電外加電壓壓VkVk時時的動作的動作電流電流 PTC熱敏電阻熱敏電阻按居里溫度分類：按居里溫度分類： 低溫低溫PTCR：(Ba,Sr)TiO3 (Tc

9、120 ) 彩電消磁，馬達(dá)彩電消磁，馬達(dá)啟動，過流、過熱保護(hù)啟動，過流、過熱保護(hù) 高溫高溫PTCR：(Ba,Pb)TiO3 (Tc120, 120500) 定溫發(fā)熱體定溫發(fā)熱體 (Ba、Bi、Na)TiO3 優(yōu)于含鉛優(yōu)于含鉛PTCR材料：溫度系數(shù)大，材料：溫度系數(shù)大，電壓效應(yīng)小電壓效應(yīng)小PTC熱敏電阻熱敏電阻NTC材料材料RT、RT0溫度為溫度為T、T0時熱敏電阻器的電阻值；時熱敏電阻器的電阻值； BN NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。熱敏電阻的材料常數(shù)。由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫

10、度范圍（小于熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于450），都能），都能利用該式，它僅是一個經(jīng)驗(yàn)公式。利用該式，它僅是一個經(jīng)驗(yàn)公式。 1 1 負(fù)電阻溫度系數(shù)負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性熱敏電阻器的溫度特性011exp0TTBRRNTTNTC的電阻的電阻溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：0ln11ln0TNTRTTBR如果以如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率為為BN ，通過點(diǎn)，通過點(diǎn)(1/T，lnRT)的一條直線的一條直線,如圖。如圖。105104103102 0 -10103050

11、7085100120T/C電電阻阻/NTC熱敏電阻器的電阻熱敏電阻器的電阻-溫度曲線溫度曲線材料的不同或配方的比例和方法不同，則材料的不同或配方的比例和方法不同，則BN也不同。用也不同。用lnRT1/T表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻溫度特性，在實(shí)際應(yīng)用中比較方溫度特性，在實(shí)際應(yīng)用中比較方便。便。為了使用方便，常取環(huán)境溫度為為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25作為參考溫度（即作為參考溫度（即T0=25），則），則NTC熱敏電阻器的電阻熱敏電阻器的電阻溫度關(guān)系式：溫度關(guān)系式：29811exp25TBRRNT02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT

12、 / RT0-T特性曲線特性曲線RT/R25T一、傳感器的定義和類型一、傳感器的定義和類型定義定義傳感器傳感器(transducer)又稱敏感元件，是將各種非電量又稱敏感元件，是將各種非電量(包括物包括物理量、化學(xué)量、生物量等理量、化學(xué)量、生物量等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧淼牧矸N物理量種物理量(一般為電量一般為電量)的裝置，成為信號處理系統(tǒng)能接的裝置，成為信號處理系統(tǒng)能接受的信號受的信號類型類型結(jié)構(gòu)型傳感器通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將結(jié)構(gòu)型傳感器通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變外界被測參

13、數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而控制被測信號化，從而控制被測信號物理型傳感器利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實(shí)現(xiàn)的，物理型傳感器利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實(shí)現(xiàn)的，它是以導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等為敏感材料的固體材料，已它是以導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等為敏感材料的固體材料，已成為傳感器元件的主要發(fā)展動向，各種功能材料是傳感器的成為傳感器元件的主要發(fā)展動向，各種功能材料是傳感器的物質(zhì)基礎(chǔ)物質(zhì)基礎(chǔ)二二.氣氣 敏敏 傳傳 感感 器器 概述概述 氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。 由于氣體種類繁多由于氣體種類繁多, 性質(zhì)各

14、不相同，不可能用一種傳感器檢測所性質(zhì)各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，因此，能實(shí)現(xiàn)氣有類別的氣體，因此，能實(shí)現(xiàn)氣-電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多，按電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多，按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前實(shí)構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。 二、 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體表面接觸時，半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體表面接觸時， 產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。按照半導(dǎo)體與氣體產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于

15、半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型，前者半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半可分為表面控制型和體控制型，前者半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變；后者半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng)，使半導(dǎo)體化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變；后者半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng)，使半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，而使電導(dǎo)率變化。按照半導(dǎo)體變化的物理特內(nèi)部組成發(fā)生變化，而使電導(dǎo)率變化。按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用性，又可分

16、為電阻型和非電阻型，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度； 非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù)。非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù)。1.半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性體表面而被吸附時，被吸附的分子首

17、先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。學(xué)吸附）。半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體的吸氣體的吸附和滲透特性附和滲透特性)時，時， 吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，離子吸附， 半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負(fù)離半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。子吸附

18、傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱?，它們被、碳?xì)浠衔锖痛碱?，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。稱為還原型氣體或電子供給性氣體。 半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理 當(dāng)氧化型氣體吸附當(dāng)氧化型氣體吸附到到N型半導(dǎo)體上，還原型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到型氣體吸附到P型半導(dǎo)型半導(dǎo)體上時，將使半導(dǎo)體載體上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，

19、而使電阻值流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸增大。當(dāng)還原型氣體吸附到附到N型半導(dǎo)體上，氧型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到化型氣體吸附到P型半型半導(dǎo)體上時，則載流子增導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下多，使半導(dǎo)體電阻值下降。降。半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理氣體接觸氣體接觸N型半導(dǎo)體時所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。型半導(dǎo)體時所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。100550加 熱 開 關(guān)大 氣 中2 min 4 min吸 氣 時還 原 型氧 化 型穩(wěn) 定 狀態(tài)器 件 加 熱響 應(yīng) 時 間 約 1 min以 內(nèi)器 件 電 阻 / k由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，由于空氣中的含氧量大體上是

20、恒定的， 因此氧的吸附量也因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時間吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時間(響應(yīng)時間響應(yīng)時間)一般一般不超過不超過1min。N型材料有型材料有SnO2、ZnO、TiO等，等，P型材料型材料有有MoO2、CrO3等。等。 問題：問題：O2吸附到吸附到P型半導(dǎo)體上時，而使電阻值增大還是減小。型半導(dǎo)體上時，而使電阻值增大還是減小。典型的氣體傳感器結(jié)構(gòu)330.5(單

21、位: mm)7(c)氧化鋁基片Pt電極氧化物半導(dǎo)體器件加熱用的加熱器(印制厚膜電阻)非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。它是利非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。它是利用用MOS二極管的電容二極管的電容電壓特性的變化以及電壓特性的變化以及MOS場效應(yīng)晶場效應(yīng)晶體管體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。由于類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能由于類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。穩(wěn)定且價格便宜。 利用特定材料還可以使器件對某些氣體特利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。別敏感

22、。 2. 非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器 (1) MOS二極管氣敏器件二極管氣敏器件 MOS二極管氣敏元件制二極管氣敏元件制作過程是在作過程是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為層厚度為50100 nm的二氧化硅的二氧化硅(SiO2)層，然后在其層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金屬薄膜，作為柵電極。的金屬薄膜，作為柵電極。MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 等效電路； (c) C-U特性 M(Pd)SiO2PSiCaCsCOVab(a)(b)(c) 半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時間和半

23、導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到恢復(fù)時間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。了廣泛的應(yīng)用。 按其用途可分為以下幾種類型：氣體泄按其用途可分為以下幾種類型：氣體泄露報警、自動控制、自動測試等。露報警、自動控制、自動測試等。3.氣敏傳感器應(yīng)用氣敏傳感器應(yīng)用二、色二、色 敏敏 傳傳 感感 器器 半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理 半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合， 故又稱光電雙結(jié)二極管，其結(jié)構(gòu)原理及等效電路如圖所示。故又稱光電雙結(jié)二極

24、管，其結(jié)構(gòu)原理及等效電路如圖所示。 為為了說明色敏傳感器的工作原理，有必要了解光電二極管的工作機(jī)了說明色敏傳感器的工作原理，有必要了解光電二極管的工作機(jī)理。理。 半導(dǎo)體色敏傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路圖半導(dǎo)體色敏傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路圖 電極1 電極2PPNSiO2電極3123對于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管，在受光照射時，若入對于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管，在受光照射時，若入射光子的能量射光子的能量h大于硅的禁帶寬度大于硅的禁帶寬度Eg，則光子就激發(fā)價帶中的電，則光子就激發(fā)價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生一對電子子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生一對電子-空穴。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的空穴。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子電子-空

25、穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個空穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子只要能擴(kuò)散到勢壘區(qū)的邊界，其中少結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子只要能擴(kuò)散到勢壘區(qū)的邊界，其中少數(shù)載流子就受勢壘區(qū)強(qiáng)電場的吸引而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域，這部分少數(shù)載流子就受勢壘區(qū)強(qiáng)電場的吸引而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域，這部分少數(shù)載流子對電流作出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子（數(shù)載流子對電流作出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴或區(qū)中的空穴或N區(qū)中區(qū)中的電子）則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。的電子）則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。1. 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外電路短路時，這個光電流將全

26、部流過短接回路，結(jié)外電路短路時，這個光電流將全部流過短接回路， 即從即從P區(qū)和勢壘區(qū)流入?yún)^(qū)和勢壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到到P區(qū)電極處，與區(qū)電極處，與P區(qū)流出的光生空穴復(fù)合。因此，短接時外回區(qū)流出的光生空穴復(fù)合。因此，短接時外回路中的電流是路中的電流是IL，其方向由，其方向由P端經(jīng)外接回路流向端經(jīng)外接回路流向N端。這時，端。這時，PN結(jié)中的載流子濃度保持平衡值。結(jié)中的載流子濃度保持平衡值。 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)開路或接有負(fù)載時，勢壘區(qū)電場收集的光生載流子結(jié)開路或接有負(fù)載時，勢壘區(qū)電場收集的光生載流子便要在勢壘區(qū)兩邊積累，從而使便要在勢壘區(qū)兩邊積累，從而

27、使P區(qū)電位升高，區(qū)電位升高，N區(qū)電位降低，區(qū)電位降低， 造成一個光生電動勢。它相當(dāng)于在造成一個光生電動勢。它相當(dāng)于在PN結(jié)上加了正向偏壓。只不結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是由光照形成，而不是電源饋送的，過這是由光照形成，而不是電源饋送的， 這稱為光生電壓，這稱為光生電壓， 這這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)。種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)。 光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收光子而從價光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收光子而從價帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，這種吸收光子的過程稱為本征吸收。硅帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，這種吸收光子的過程稱為本征吸收。硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長變化的曲線如圖所示。由圖可見，的本征

28、吸收系數(shù)隨入射光波長變化的曲線如圖所示。由圖可見，在紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。這就表明，在紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。這就表明， 波波長短的光子衰減快，穿透深度較淺，而波長長的光子則能進(jìn)入長短的光子衰減快，穿透深度較淺，而波長長的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。硅的較深區(qū)域。 吸收系數(shù)隨波長的變化吸收系數(shù)隨波長的變化 0.2 0.4 0.6 0.81.2 1.4 1.61.8102101101102330 K77 K1061051041031021011波長 / m穿透深度(1 / ) /m吸收系數(shù) / cm1103SiGeGaAs 對于光電器件而言，還常用量對于光電器件而

29、言，還常用量子效率來表征光生電子流與入射光子效率來表征光生電子流與入射光子流的比值大小。其物理意義是指子流的比值大小。其物理意義是指單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起的流動電子數(shù)。根據(jù)理論計算可以的流動電子數(shù)。根據(jù)理論計算可以得到，得到， P區(qū)在不同結(jié)深時量子效率區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨波長變化的曲線如圖所示。圖中隨波長變化的曲線如圖所示。圖中xj即表示結(jié)深。淺的即表示結(jié)深。淺的PN結(jié)有較好的結(jié)有較好的藍(lán)紫光靈敏度，深的藍(lán)紫光靈敏度，深的PN結(jié)則有利結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高，于紅外靈敏度的提高， 半導(dǎo)體色半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。敏器件正是利用了這一特性。

30、量子效率隨波長的變化量子效率隨波長的變化 0.40.60.81.0 / m00.20.40.60.8量 子 效 率xj 2 mxj 1 mxj 0.5 m 在圖中所表示的在圖中所表示的P-N-P不是晶體管，而是結(jié)深不同的兩不是晶體管，而是結(jié)深不同的兩個個PN結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是PN結(jié)；深結(jié)的二極管是結(jié)；深結(jié)的二極管是PN結(jié)。結(jié)。 當(dāng)有入射光照射時，當(dāng)有入射光照射時，P、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系數(shù)大，系數(shù)大， 經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。

31、在此，淺結(jié)的即是經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。在此，淺結(jié)的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高，而紅外部分吸收系數(shù)較小，光電二極管對紫外光的靈敏度高，而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此，深結(jié)的那只這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此，深結(jié)的那只光電二極管對紅外光的靈敏度較高。光電二極管對紅外光的靈敏度較高。 2. 半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理這就是說，在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的這就是說，在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識別的可能靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識別的可能性，也就是可以用來測量入射光的波長。將兩只結(jié)深不同的光電性，也就是可以用來測量入射光的波長。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏