半導(dǎo)體陶瓷及敏感電子材料

半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體瓷：ρV＜106Ω?cm半導(dǎo)體瓷：傳感器用，作為敏感材料，電阻型敏感材料為主：

ρV或ρS對(duì)熱、光、電壓、氣氛、濕度敏感，故可作各種熱敏、光敏、壓敏、氣敏、濕敏材料。1.BaTiO3半導(dǎo)體瓷

a.PTC熱敏電阻瓷→PTC熱敏電阻

b.半導(dǎo)體電容器瓷→晶界層電容器、表面層電容器2.NTC熱敏半導(dǎo)體瓷（由Cu、Mn、Co、Ni、Fe等過(guò)渡金屬氧化物燒成，二元、三元、多元系）→NTC熱敏電阻種類：概述

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)：NTC熱敏電阻；2.利用晶粒間界及粒界析出相性質(zhì)：PTC熱敏電阻器，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）；概述

普通半導(dǎo)體αT＜0，即T↑，ρv↓↓，原因是載流子數(shù)目↑；絕緣體αT＜0，即T↑，ρv↓，原因是雜質(zhì)電離→基質(zhì)電離；金屬αT＞0即T↑,ρv↑原因是振動(dòng)加劇，散射↑，B曲線；

PTCαT>0，A曲線

NTCαT<0，C曲線

CTRαT<0，D曲線電阻與溫度的關(guān)系熱敏電阻1950年，荷蘭Phillip公司的海曼（Haayman）等人在BaTiO3中摻入稀土元素（Sb、La、Sm、Gd、Ho、Y、Nb）時(shí)發(fā)現(xiàn)BaTiO3的室溫電阻率降低到101~104Ω·cm，與此同時(shí)，當(dāng)材料溫度超過(guò)居里溫度時(shí)，在幾十度的范圍內(nèi)，電阻率會(huì)增大4~10個(gè)數(shù)量級(jí)，即PTC效應(yīng)。1.PTC熱敏電阻簡(jiǎn)介PTC熱敏電阻PTCR的實(shí)用化從本世紀(jì)80年代初開始。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－溫度特性、電壓－電流特性及電流－時(shí)間特性。PTC熱敏電阻電阻－溫度特性（阻溫特性）I↑→W↑→T↑→ρ↑→I↓過(guò)熱保護(hù)、恒溫加熱PTC熱敏電阻ρ－T特性是PTC熱敏電阻最基本的特性，通過(guò)ρ－T特性可以求得PTC熱敏材料最基本的參數(shù)。TmaxPTC熱敏電阻I:T＜Tmin，負(fù)溫區(qū)（NTC區(qū)）

II.

Tmin＜T＜Tmax，正溫區(qū)（PTC區(qū)）

III.T＞Tmax，負(fù)溫區(qū)（NTC區(qū)）對(duì)Ⅱ區(qū)：取對(duì)數(shù)，并利用對(duì)數(shù)換底公式得：（溫度系數(shù)）PTC熱敏電阻工程上用以下參數(shù)表征材料（或器件）性能：室溫電阻率ρ25℃：25℃時(shí)測(cè)得零功率電阻率（彩電消磁器、冰箱啟動(dòng)器：10～102Ω?cm，加熱器：102～104Ω?cm）最大電阻率與最小電阻率之比：（跳躍數(shù)量級(jí)）目前PTC熱敏電阻最大電阻率溫度系數(shù)：作曲線的切線，在斜率最大的切線上取兩點(diǎn)T1、T2則早期αmax≈10％∕℃或20～30％∕℃。近年來(lái)，40℃溫度范圍內(nèi)αmax達(dá)30％∕℃，20℃溫度范圍內(nèi)αmax達(dá)40～50％∕℃。PTC熱敏電阻開關(guān)溫度Tb：ρ＝2ρmin所對(duì)應(yīng)的較高溫度.（Tb≈Tc）希望ρ25℃系列化，盡可能大，αmax盡可能高，Tb系列化。PTC熱敏電阻當(dāng)nA/nD↑，則ρ25℃↑，αmax↑，↑；當(dāng)T燒↑，t?！?，αmax↑

↑，當(dāng)Tb↓時(shí)，ρ25℃↑，αmax↓，↓。PTC熱敏電阻但是各參數(shù)之間互相影響，只能綜合考慮：變化規(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)躍變區(qū)I↑↑→ρ↑→I↓0~Vk：不動(dòng)作區(qū)，V與I關(guān)系符合歐姆定律

Vk～Vmax：躍變區(qū)，ρ躍變↑，I↓Vmax以上：擊穿區(qū)，ρ

↓，V↓

，I↑，熱擊穿過(guò)電流保護(hù)過(guò)載保護(hù)額定電壓最大工作電壓外加電壓Vmax時(shí)的殘余電流外加電壓Vk時(shí)的動(dòng)作電流PTC熱敏電阻按居里溫度分類：低溫PTCR：(Ba,Sr)TiO3(Tc≤120℃)彩電消磁，馬達(dá)啟動(dòng)，過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)高溫PTCR：(Ba,Pb)TiO3(Tc＞120℃,120～500℃)定溫發(fā)熱體

(Ba、Bi、Na)TiO3

優(yōu)于含鉛PTCR材料：溫度系數(shù)大，電壓效應(yīng)小PTC熱敏電阻NTC材料RT、RT0——溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值；

BN——NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由測(cè)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NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于450℃），都能利用該式，它僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。1負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性NTC的電阻—溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率為BN

，通過(guò)點(diǎn)(1/T，lnRT)的一條直線,如圖。105104103102

0-101030507085100120T/oC電阻/ΩNTC熱敏電阻器的電阻--溫度曲線材料的不同或配方的比例和方法不同，則BN也不同。用lnRT–1/T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)用中比較方便。為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式：02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25T一、傳感器的定義和類型定義傳感器(transducer)又稱敏感元件，是將各種非電量(包括物理量、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?shù)牧怼N物理量(一般為電量)的裝置，成為信號(hào)處理系統(tǒng)能接受的信號(hào)類型結(jié)構(gòu)型傳感器通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測(cè)參數(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(cè)信號(hào)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，已成為傳感器元件的主要發(fā)展動(dòng)向，各種功能材料是傳感器的物質(zhì)基礎(chǔ)二.氣敏傳感器

概述氣敏傳感器是用來(lái)檢測(cè)氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多,性質(zhì)各不相同，不可能用一種傳感器檢測(cè)所有類別的氣體，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。二、

半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體的。按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)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)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時(shí)，其阻值變化來(lái)檢測(cè)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)。1.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)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)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（化學(xué)吸附）。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(氣體的吸附和滲透特性)時(shí)，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)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)離子吸附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H2、CO、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。半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理

當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理氣體接觸N型半導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對(duì)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吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)一般不超過(guò)1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。問(wèn)題：O2吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，而使電阻值增大還是減小。典型的氣體傳感器結(jié)構(gòu)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MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)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，因而其性能穩(wěn)定且價(jià)格便宜。利用特定材料還可以使器件對(duì)某些氣體特別敏感。2.非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器(1)MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏元件制作過(guò)程是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50~100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)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

半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長(zhǎng)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。按其用途可分為以下幾種類型：氣體泄露報(bào)警、自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)試等。3.氣敏傳感器應(yīng)用二、色敏傳感器半導(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，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。為了說(shuō)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。半導(dǎo)體色敏傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路圖對(duì)于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管，在受光照射時(shí)，若入射光子的能量hυ大于硅的禁帶寬度Eg，則光子就激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子-空穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個(gè)ＰＮ結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子只要能擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)的邊界，其中少數(shù)載流子就受勢(shì)壘區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的吸引而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域，這部分少數(shù)載流子對(duì)電流作出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴或N區(qū)中的電子）則受勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的排斥而留在勢(shì)壘區(qū)的邊緣。1.光電二極管的工作原理

當(dāng)PN結(jié)外電路短路時(shí)，這個(gè)光電流將全部流過(guò)短接回路，即從P區(qū)和勢(shì)壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過(guò)外短接回路全部流到P區(qū)電極處，與P區(qū)流出的光生空穴復(fù)合。因此，短接時(shí)外回路中的電流是IL，其方向由P端經(jīng)外接回路流向N端。這時(shí)，PN結(jié)中的載流子濃度保持平衡值。

當(dāng)PN結(jié)開路或接有負(fù)載時(shí)，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)收集的光生載流子便要在勢(shì)壘區(qū)兩邊積累，從而使P區(qū)電位升高，N區(qū)電位降低，造成一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)。它相當(dāng)于在PN結(jié)上加了正向偏壓。只不過(guò)這是由光照形成，而不是電源饋送的，這稱為光生電壓，這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)。光在半導(dǎo)體中傳播時(shí)的衰減是由于價(jià)帶電子吸收光子而從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，這種吸收光子的過(guò)程稱為本征吸收。硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長(zhǎng)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，波長(zhǎng)短的光子衰減快，穿透深度較淺，而波長(zhǎng)長(zhǎng)的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化

對(duì)于光電器件而言，還常用量子效率來(lái)表征光生電子流與入射光子流的比值大小。其物理意義是指單位時(shí)間內(nèi)每入射一個(gè)光子所引起的流動(dòng)電子數(shù)。根據(jù)理論計(jì)算可以得到，P區(qū)在不同結(jié)深時(shí)量子效率隨波長(zhǎng)變化的曲線如圖所示。圖中xj即表示結(jié)深。淺的PN結(jié)有較好的藍(lán)紫光靈敏度，深的PN結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高，半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。量子效率隨波長(zhǎng)的變化

在圖中所表示的P＋-N-P不是晶體管，而是結(jié)深不同的兩個(gè)PN結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是P＋N結(jié)；深結(jié)的二極管是PN結(jié)。當(dāng)有入射光照射時(shí)，P＋、N、P三個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過(guò)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(duì)紫外光的靈敏度高，而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長(zhǎng)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(duì)紅外光的靈敏度較高。2.