半導(dǎo)體式物性傳感器

第十二章半導(dǎo)體式物性傳感器1970年，荷蘭科學(xué)家Bergveld研制出了對(duì)氫離子響應(yīng)的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管，標(biāo)志著離子敏半導(dǎo)體傳感器的誕生。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以半導(dǎo)體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問(wèn)世。這類(lèi)傳感器主要是以半導(dǎo)體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化，通過(guò)檢測(cè)這些物理特性的變化，即可反映被測(cè)參數(shù)值。與各種結(jié)構(gòu)型傳感器相比，具有如下特點(diǎn)：

1）由于傳感器原理是基于物理變化的，因而沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，可以做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，微型化。2）靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好，輸出為電物理量。3）采用半導(dǎo)體為敏感材料容易實(shí)現(xiàn)傳感器集成化和智能化。4）功耗低，安全可靠。半導(dǎo)體傳感器也存在以下一些缺點(diǎn)：1）線性范圍窄，在精度要求高的場(chǎng)合應(yīng)采用線性化補(bǔ)償電路。2）與所有半導(dǎo)體元件一樣，輸出特性易受溫度影響而漂移，所以應(yīng)采用補(bǔ)償措施。3）性能參數(shù)離散性大。

雖然存在上述問(wèn)題，但半導(dǎo)體傳感器仍是目前傳感器發(fā)展的重要方向，尤其是大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器的技術(shù)也日臻完善。本章主要介紹氣敏、濕敏、磁敏、色敏和離子敏半導(dǎo)體式傳感器。第一節(jié)氣敏傳感器第二節(jié)濕敏傳感器第三節(jié)磁敏傳感器第四節(jié)色敏傳感器第五節(jié)離子敏傳感器第一節(jié)氣敏傳感器

所謂半導(dǎo)體氣敏傳感器，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或者測(cè)量其濃度的傳感器的總稱(chēng)。半導(dǎo)體氣敏傳感器的種類(lèi)如表

主要物理特性傳感器舉例工作溫度典型被測(cè)氣體電阻式表面控制型氧化銀、氧化鋅室溫～450℃可燃性氣體體控制型氧化鈦、氧化鎂、氧化鈷室溫～700℃酒精、氧氣非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇二極管整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫～200℃氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性鉑柵MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管室溫～150℃氫氣、硫化氫車(chē)輛駕駛?cè)藛T血液酒精含量大于或等于20mg/100ml，小于80mg/100m1的，屬于酒駕；血液酒精含量大于或等于80mg/100m1的，屬醉駕飲酒后駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)的，處暫扣六個(gè)月機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證，并處一千元以上二千元以下罰款。因飲酒后駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)被處罰，再次飲酒后駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)的，處十日以下拘留，并處一千元以上二千元以下罰款，吊銷(xiāo)機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證?！白砭岂{駛機(jī)動(dòng)車(chē)的，由公安機(jī)關(guān)交通管理部門(mén)約束至酒醒，吊銷(xiāo)機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證，依法追究刑事責(zé)任；五年內(nèi)不得重新取得機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證。一、氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理

圖a為燒結(jié)體N型半導(dǎo)瓷的模型。它是多晶體，晶粒間界有較高的電阻，晶粒內(nèi)部電阻較低。圖中分別以空白部分和黑點(diǎn)部分示意表示。導(dǎo)電通路的等效電路如圖b所示。

圖中Rn為頸部等效電阻，Rb為晶粒的等效體電阻，Rs為晶粒的等效表面電阻。其中Rb的阻值較低，它不受吸附氣體影響。Rs和Rn則受吸附氣體所控制，且Rs>>Rb，Rn>>Rb。由此可見(jiàn)，半導(dǎo)體氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的數(shù)量和種類(lèi)而改變。氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，將使載流子減少，從而使材料的電阻率增大。還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，將使載流子增多，材料電阻率下降。根據(jù)這一特性，就可以從阻值變化的情況得知吸附氣體的種類(lèi)和濃度。二、電阻型氣敏器件

電阻型氣敏器件在目前使用的比較廣泛。按其結(jié)構(gòu)，可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型這種器件一般分為內(nèi)熱式和旁熱式兩種結(jié)構(gòu),如圖

1、2、4、5—電極3—SnO2燒結(jié)體1、2、4、5—電極3—加熱器

6—SnO2燒結(jié)體7—陶瓷絕緣管內(nèi)熱式器件管芯體積一般都很小，加熱絲直接埋在金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)，兼作一個(gè)測(cè)量板，該結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是：①熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；②測(cè)量電路和加熱電路之間相互影響；③加熱絲在加熱和不加熱狀態(tài)下產(chǎn)生脹、縮，容易造成與材料接觸不良的現(xiàn)象。旁熱式氣敏器件的管芯是在陶瓷管內(nèi)放置高阻加熱絲，在瓷管外涂梳狀金電極，再在金電極外涂氣敏半導(dǎo)體材料。這種結(jié)構(gòu)形式克服了內(nèi)熱式器件的缺點(diǎn)，使器件穩(wěn)定性有明顯提高。2.薄膜型

薄膜型氣敏器件的制作首先需處理基片（玻璃石英式陶瓷），焊接電極，之后采用蒸發(fā)或?yàn)R射方法在石英基片上形成一薄層氧化物半導(dǎo)體薄膜。實(shí)驗(yàn)測(cè)得SnO2和ZnO薄膜的氣敏特性較好。薄膜型器件外形結(jié)構(gòu)如圖所示1、2、5、7—引線3—半導(dǎo)體4—電極－6—絕緣基片8—加熱器

這種器件具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而且具有互換性好、產(chǎn)量高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。3.厚膜型其結(jié)構(gòu)如圖所示1—加熱器2—電極3—濕敏電阻4—基片

此種元件一致性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)，是一種有前途的器件。以上三種氣敏器件都附有加熱器。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，加熱器能使附著在測(cè)控部分上的油霧，塵埃等燒掉，同時(shí)加速氣體的吸附，從而提高了器件的靈敏度和響應(yīng)速度，一般加熱到200～400℃，具體溫度視所摻雜質(zhì)不同而異。氣敏器件的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用方便；對(duì)氣體濃度變化響應(yīng)快；即使在低濃度（3000mg/kg）下，靈敏度也很高。其缺點(diǎn)在于：穩(wěn)定性差，老化較快，氣體識(shí)別能力不強(qiáng)；各器件之間的特性差異大等。

各種可燃性氣體的濃度與SnO2半導(dǎo)瓷傳感器的電阻率變化的關(guān)系如圖

SnO2氣敏器件易受環(huán)境溫度和濕度的影響。溫濕度綜合特性曲線圖如下三、非電阻型氣敏器件1.二極管氣敏傳感器2.

MOS二極管氣敏器件3.

Pd-MOSFET氣敏器件第二節(jié)濕敏傳感器

一、絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度

所謂濕度，是指大氣中所含的水蒸氣量。它有兩種最常用的表示方法，即絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度。絕對(duì)濕度是指一定大小空間中水蒸氣的絕對(duì)含量，可用“kg/m3”表示。絕對(duì)濕度也稱(chēng)水氣濃度或水氣密度。

絕對(duì)濕度也可用水的蒸氣壓來(lái)表示。設(shè)空氣的水氣密度為ρv，與之相應(yīng)的水蒸氣分壓為pv，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可以得出其關(guān)系式為

m——水氣的摩爾質(zhì)量；R——摩爾氣體普適常數(shù)；T——絕對(duì)溫度。

在實(shí)際生活中，許多現(xiàn)象與濕度有關(guān)，如水分蒸發(fā)的快慢。然而除了與空氣中水氣分壓有關(guān)外，更主要的是和水氣分壓與飽和蒸氣壓的比值有關(guān)。因此有必要引入相對(duì)濕度的概念。相對(duì)濕度為某一被測(cè)蒸氣壓與相同溫度下的飽和蒸氣壓的比值的百分?jǐn)?shù)，常用%RH表示。這是一個(gè)無(wú)量綱的值。顯然，絕對(duì)濕度給出了水分在空間的具體含量，相對(duì)濕度則給出了大氣的潮濕程度，故使用更廣泛。由于相對(duì)濕度低，人體表皮水分大量散失，導(dǎo)致人的皮膚彈性下降，加速皮膚衰老，出現(xiàn)表皮粗糙、細(xì)胞脫落等現(xiàn)象，一定程度上降低了皮膚抵抗病菌的能力這種環(huán)境中居住，人易患呼吸道疾病和出現(xiàn)口干、唇裂、流鼻血等現(xiàn)象相對(duì)濕度過(guò)低，還會(huì)導(dǎo)致木材水分散失，引起家具或木質(zhì)地板變形、開(kāi)裂和損壞；鋼琴、提琴等對(duì)濕度要求高的樂(lè)器不能正常使用；文物、檔案和圖書(shū)脆化、變形。相對(duì)濕度過(guò)高，又易使室內(nèi)家具、衣物、地毯等織物生霉，鐵器生銹，電子器件短路，地毯、壁紙發(fā)生靜電現(xiàn)象，對(duì)人體有刺激，甚至誘發(fā)火災(zāi)。二、氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類(lèi)潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。

典型的氯化鋰濕度傳感器有登莫（Dunmore）式和浸漬式兩種。

登莫式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖,圖中A為聚苯乙烯包封的鋁管；B為用聚乙烯醋酸鹽覆蓋在A上的鈀絲。浸漬式傳感器是在基本材料上直接浸漬氯化鋰溶液構(gòu)成的。這類(lèi)傳感器的浸漬基片材料為天然樹(shù)皮。它部分地避免了高溫下所產(chǎn)生的濕敏膜的誤差。由于采用了表面積大的基片材料，并直接在基片上浸漬氯化鋰溶液，因此這種傳感器具有小型化的特點(diǎn)。它適用于微小空間的濕度檢測(cè)。三、半導(dǎo)瓷濕敏電阻

制造半導(dǎo)瓷濕敏電阻的材料，主要是不同類(lèi)型的金屬氧化物。

有一些材料電阻率隨濕度的增加而下降，故稱(chēng)為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷。還有一種材料（如Fe3O4半導(dǎo)瓷）的電阻率隨著濕度的增加而增大，稱(chēng)為正特性濕敏半導(dǎo)瓷。1.半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理

三種典型的金屬氧化物半導(dǎo)瓷的濕敏特性如圖

:

1—ZnO－LiO2－V2O5系

2—Si－Na2O－V2O5系

3—TiO2－MgO－Cr2O3系

關(guān)于半導(dǎo)體濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理有多種理論。一般認(rèn)為，作為濕敏材料的多晶陶瓷（也稱(chēng)半導(dǎo)瓷），由于晶粒間界的結(jié)構(gòu)不夠致密與缺乏規(guī)律性，不僅載流子濃度遠(yuǎn)比晶粒內(nèi)部小，而且載流子遷移率也要低得多。所以，一般半導(dǎo)瓷的晶粒間界電阻要比體內(nèi)高得多。因而半導(dǎo)瓷的晶粒間界便成了半導(dǎo)瓷中傳導(dǎo)電流的主要障礙。正由于這種高阻效應(yīng)的存在，使半導(dǎo)瓷具有良好的濕敏特性。2.典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

半導(dǎo)瓷濕敏電阻具有較好的熱穩(wěn)定性，較強(qiáng)的抗沾污能力，能在惡劣、易污染的環(huán)境中測(cè)得準(zhǔn)確的濕度數(shù)據(jù)，而且還有響應(yīng)快、使用濕度范圍寬（可在150℃以下使用）等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中占有很重要的位置。燒結(jié)型半導(dǎo)瓷濕敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示

1—接線柱2—隔漏環(huán)3—RuO2電極

4—感濕體5—加熱絲6—底座

7—感濕體引線（1）燒結(jié)型濕敏電阻

（2）涂覆膜型Fe3O4濕敏器件

有一種由金屬氧化物微粒經(jīng)過(guò)堆積、粘結(jié)而成的材料，它也具有較好的感濕特性。用這種材料制做的濕敏器件，一般稱(chēng)為涂覆膜型或瓷粉型濕敏器件。這種濕敏器件有多種品種，其中比較典型且性能較好的是Fe3O4濕敏器件。Fe3O4感濕膜的整體電阻很高。當(dāng)水分子透過(guò)松散結(jié)構(gòu)的感濕膜而吸附在微粒表面上時(shí)，將擴(kuò)大微粒間的面接觸，導(dǎo)致接觸電阻的減??；因而這種器件具有負(fù)感濕特性。Fe3O4濕敏器件的主要優(yōu)點(diǎn)是在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定；有較強(qiáng)的抗結(jié)露能力；在全濕范圍內(nèi)有相當(dāng)一致的濕敏特性，而且其工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。其主要缺點(diǎn)是響應(yīng)緩慢，并有明顯的濕滯效應(yīng)。第三節(jié)磁敏傳感器

磁敏傳感器是基于磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器。早在1856年和1879年就發(fā)現(xiàn)了磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)，但作為實(shí)用的磁敏傳感器則產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料發(fā)現(xiàn)之后。60年代初，西門(mén)子公司研制出第一個(gè)實(shí)用的磁敏元件；1966年又出現(xiàn)了鐵磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能優(yōu)良、靈敏度高的磁敏二極管；1974年美國(guó)韋岡德發(fā)明了雙穩(wěn)態(tài)磁性元件。一、磁敏電阻器1.磁阻效應(yīng)

將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其電阻也會(huì)隨磁場(chǎng)而變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)磁阻效應(yīng)。磁敏電阻器就是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

μ——載流子遷移率；

ρ0——零磁場(chǎng)下的電阻率；

ρB——磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率。

設(shè)電阻率的變化為Δρ=ρＢ－ρ0，則電阻率的相對(duì)變化率為

由上式可知，磁場(chǎng)一定時(shí)，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。

2.磁敏電阻的形狀磁阻的大小除了與材料有關(guān)外，還和磁敏電阻的幾何形狀有關(guān)。常見(jiàn)的磁敏電阻是圓盤(pán)形的，中心和邊緣處為兩電極。這種圓盤(pán)形磁阻器叫科爾比諾圓盤(pán)。其磁阻效應(yīng)叫科爾比諾效應(yīng)?？紤]到形狀的影響時(shí)，電阻率的相對(duì)變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度和遷移率的關(guān)系，可以用下式表示

f（L/b）——形狀效應(yīng)系數(shù)，L、b分別為磁敏電阻的長(zhǎng)度和寬度

各種形狀的磁敏電阻器，其磁阻RB與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖圖中R0為B=0時(shí)的電阻值。。3.磁敏電阻的應(yīng)用

磁敏電阻的應(yīng)用非常廣泛。除了用它做成探頭，配上簡(jiǎn)單線路可以探測(cè)各種磁場(chǎng)外，在測(cè)量方面還可制成位移檢測(cè)器、角度檢測(cè)器、功率計(jì)、安培計(jì)等。此外，可用磁敏電阻制成交流放大器、振蕩器等。二、磁敏二極管（SMD）

磁敏二極管的結(jié)構(gòu)原理如圖在高阻半導(dǎo)體芯片（本征型I）兩端，分別制作P、N兩個(gè)電極，形成P-I-N結(jié)。

P、N都為重?fù)诫s區(qū)，本征區(qū)I的長(zhǎng)度較長(zhǎng)。同時(shí)對(duì)I區(qū)的兩側(cè)面進(jìn)行不同的處理。一個(gè)側(cè)面磨成光滑面，另一面打毛。由于粗糙的表面處容易使電子－空穴對(duì)復(fù)合而消失，我們稱(chēng)之為r面，這樣就構(gòu)成了磁敏二極管。

高復(fù)合面與光滑面的復(fù)合率差別愈大，磁敏二極管的靈敏度也就愈高。磁敏二極管在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向下的伏安特性如圖

磁敏二極管與其他磁敏器件相比，具有以下特點(diǎn)：1）靈敏度高磁敏二極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至上千倍，而且線路簡(jiǎn)單，成本低廉，更適合于測(cè)量弱磁場(chǎng)。2）具有正反磁靈敏度這一點(diǎn)是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二極管可用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。3）靈敏度與磁場(chǎng)關(guān)系呈線性的范圍比較窄這一點(diǎn)不如霍爾元件。第四節(jié)色敏傳感器

半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏器件的一種。它也是基于半導(dǎo)體的內(nèi)光效應(yīng)，將光信號(hào)變成為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件。但是不管是光電導(dǎo)器件還是光生伏特效應(yīng)器件，它們檢測(cè)的都是在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的強(qiáng)度，或者說(shuō)光子的數(shù)目。而半導(dǎo)體色敏器件則可用來(lái)直接測(cè)量從可見(jiàn)光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長(zhǎng)。

一.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(chēng)雙結(jié)光電二極管。其結(jié)構(gòu)原理及等效電路如圖1.光電二極管的工作原理

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hf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(chēng)為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個(gè)P－N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（P區(qū)中的電子或N區(qū)中的空穴）就受勢(shì)壘區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的吸引而被拉向背面區(qū)域。這部分少數(shù)載流子對(duì)電流做出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子（N區(qū)中的電子或P區(qū)中的空穴）則受勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的排斥而留在勢(shì)壘的邊緣。在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴則分別被電場(chǎng)掃向N區(qū)和P區(qū)，它們對(duì)電流也有貢獻(xiàn)。用能帶圖來(lái)表示上述過(guò)程如圖

a)光生電子和空穴的運(yùn)動(dòng)b)外電路開(kāi)路，光生電壓出現(xiàn)

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(chēng)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

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)。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

2.半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL(zhǎng)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(shí)別的可能性，即可以用來(lái)測(cè)量入射光的波長(zhǎng)。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，就構(gòu)成了可以測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。

不同結(jié)深二極管的光譜響應(yīng)曲線如圖,

圖中PD1代表淺結(jié)二極管，PD2代表深結(jié)二極管。二、半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征1.