Z-元件特性與應(yīng)用的擴(kuò)展

1、Z-元件特性與應(yīng)用的擴(kuò)展 摘要：Z-元件具有進(jìn)一步的開發(fā)潛力，擴(kuò)充其特性和應(yīng)用可形成一些新型電子器件。本文在溫、光、磁敏Z-元件的基礎(chǔ)上，依據(jù)對(duì)Z-元件工作機(jī)理的深入探討，開發(fā)出一些新型的半導(dǎo)體敏感元件，如摻金-硅熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉(zhuǎn)換器。本文著重介紹了這些新型敏感元件的電路結(jié)構(gòu)與工作原理。這些新型敏感元件都具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、體積小、成本低等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：熱敏電阻，摻金-硅熱敏電阻，Z-元件，力敏Z-元件，V/F轉(zhuǎn)換器 一、前言 Z-半導(dǎo)體敏感元件簡(jiǎn)稱Z-元件性能奇特，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單而且規(guī)范，使用組態(tài)靈活，應(yīng)用開發(fā)潛力大。它包括Z-元件在內(nèi)僅用兩個(gè)或3個(gè)元器件，就可構(gòu)成電路最

2、簡(jiǎn)單的三端傳感器，實(shí)現(xiàn)多種用途。特別是其中的三端數(shù)字傳感器，已引起許多用戶的關(guān)注。 Z-元件現(xiàn)有溫、光、磁，以及正在開發(fā)中的力敏四個(gè)品種，都能以不同的電路組態(tài)，分別輸出開關(guān)、模擬或脈沖頻率信號(hào)，相應(yīng)構(gòu)成不同品種的三端傳感器。其中，僅以溫敏Z-元件為例，就可以組合出12種電路結(jié)構(gòu)，輸出12種波形，實(shí)現(xiàn)6種基本應(yīng)用3。再考慮到其它光、磁或力敏Z-元件幾個(gè)品種，其可供開發(fā)的擴(kuò)展空間將十分可觀。為了拓寬Z-元件的應(yīng)用領(lǐng)域，很有從深度上和廣度上進(jìn)一步研究的價(jià)值。 本文在前述溫、光、磁敏Z-元件的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)工藝和應(yīng)用開發(fā)實(shí)踐，在半導(dǎo)體工作機(jī)理上和電路應(yīng)用組態(tài)上進(jìn)行了深入的擴(kuò)展研究，形成了一些新型的敏

3、感元件。作為其中的部分實(shí)例，本文重點(diǎn)介紹了摻金g-硅新型熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉(zhuǎn)換器，供用戶分析研究與應(yīng)用開發(fā)參考。這些新型敏感元件都具有體積小、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、使用方便等特點(diǎn)。 二、摻金g-硅新型熱敏電阻 1概述 用g-硅單晶制造半導(dǎo)體器件是不多見的，特別是用原本制造Z-元件這樣的高阻g-硅單晶來制造Z-元件以外的半導(dǎo)體器件，目前尚未見到報(bào)導(dǎo)。Z-元件的特殊性能，主要是由摻金高阻g-硅區(qū)也就是n-i區(qū)的特性所決定的，對(duì)摻金高阻g-硅的性能進(jìn)行深入地研究希望引起半導(dǎo)體器件工作者的高度重視。本部分從對(duì)摻金g-硅的特性深入研究入手，開發(fā)出一種新型的熱敏元件，即摻金g-硅熱敏電阻

4、。介紹了該新型熱敏電阻的工作原理、技術(shù)特性和應(yīng)用特點(diǎn)。2摻金g-硅熱敏電阻的工作機(jī)理 “摻金g-硅熱敏電阻”簡(jiǎn)稱摻金硅熱敏電阻，它是在深入研究Z-元件微觀工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，按新的結(jié)構(gòu)和新的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)制造的，在溫度檢測(cè)與控制領(lǐng)域提供了一種新型的溫敏元件。 為了熟悉并正確使用這種新型溫敏元件，必須首先了解它的工作機(jī)理。Z-元件是其N區(qū)被重?fù)诫s補(bǔ)償?shù)母男訮N結(jié)，即在高阻硅材料上形成的PN結(jié)，又經(jīng)過重金屬補(bǔ)償，因而它具有特殊的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和特殊的伏安特性。圖1為Z-元件的正向伏安特性曲線，圖2為Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖。 由圖1可知，Z-元件具有一條“L”型伏安特性1，該特性可分成三個(gè)工作區(qū)：M1高

5、阻區(qū)，M2負(fù)阻區(qū)，M3低阻區(qū)。其中，高阻的M1區(qū)對(duì)溫度具有較高的靈敏度，自然成為研制摻金g-硅熱敏電阻的主要著眼點(diǎn)。 從圖2可知，Z-元件的結(jié)構(gòu)依次是：金屬電極層P+歐姆接觸區(qū)P型擴(kuò)散區(qū)P-N結(jié)結(jié)面低摻雜高補(bǔ)償N區(qū)，即n-.i區(qū)n+歐姆接觸區(qū)金層電極層?？梢奪-元件是一種改性PN結(jié)，它具有由p+-p-n-.i-n+構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)，其中核心部位是N型高阻硅區(qū)n-.i，特稱為摻金g-硅區(qū)。摻金g-硅區(qū)的建立為摻金g-硅熱敏電阻奠定了物理基礎(chǔ)。Z-元件在正偏下的導(dǎo)電機(jī)理是基于一種“管道擊穿”和“管道雪崩擊穿”的模型2。Z-元件是一種PN結(jié)，對(duì)圖2所示的Z-元件結(jié)構(gòu)可按P-N結(jié)經(jīng)典理論加以分析，因而在

6、p-n-.i兩區(qū)中也應(yīng)存在一個(gè)自建電場(chǎng)區(qū)。該電場(chǎng)區(qū)因在P區(qū)很薄，自建電場(chǎng)區(qū)主要體現(xiàn)在n-.i區(qū)，且?guī)缀跽紦?jù)了全部n-.i型區(qū)，這樣寬的電場(chǎng)區(qū)其場(chǎng)強(qiáng)是很弱的，使得Z-元件呈現(xiàn)了高阻特性。如果給Z-元件施加正向偏壓，這時(shí)因正向偏壓的電場(chǎng)方向同Z-元件內(nèi)部自建電場(chǎng)方向是相反的，很小的正向偏壓便抵消了自建電場(chǎng)。這時(shí)按經(jīng)典的PN結(jié)理論分析，本應(yīng)進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)，但由于Z-元件又是一種改性的PN結(jié)，其n-.i型區(qū)是經(jīng)重金屬摻雜的高補(bǔ)償區(qū)，由于載流子被重金屬陷阱所束縛，其電阻值在兆歐量級(jí)，其正向電流很小，表現(xiàn)在“L”曲線是線性電阻區(qū)即“M1”區(qū)。這時(shí)，如果存在溫度場(chǎng)，由于熱激發(fā)的作用使重金屬陷阱中釋放的載流

7、子不斷增加，并參與導(dǎo)電，必然具有較高的溫度靈敏度。在M1區(qū)尚末形成導(dǎo)電管道，如果施加的正向偏壓過大，將產(chǎn)生“管道擊穿”，甚至“管道雪崩擊穿”，將破壞了摻金g-硅新型熱敏電阻的熱阻特性，這是該熱敏電阻的特殊問題。 在這一理論模型的指導(dǎo)下，不難想到，如果將Z-元件的n-.i區(qū)單獨(dú)制造出來，肯定是一個(gè)高靈敏度的熱敏電阻（由于半導(dǎo)體伴生著光效應(yīng)，當(dāng)然也是一個(gè)光敏感電阻），由此可構(gòu)造出摻金g-硅新型熱敏電阻的基本結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于摻金g-硅新型熱敏電阻不存在PN結(jié)，其中n-.i層就是摻金g-硅，它并不是Z-元件的n-.i區(qū)。測(cè)試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的電特性就是一個(gè)熱敏電阻。該熱敏電阻具有NTC特性，它與

8、現(xiàn)行NTC熱敏電阻相比，具有較高的溫度靈敏度。 3摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝 摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝流程如圖4工藝框圖所示?？梢钥闯?，該生產(chǎn)工藝過程與Z-元件生產(chǎn)工藝的最大區(qū)別，就是不做P區(qū)擴(kuò)散，所以它不是改性PN結(jié)，又與現(xiàn)行NTC熱敏電阻的生產(chǎn)工藝完全不同，這種摻金g-硅新型熱敏電阻使用的特殊材料和特殊工藝決定了它的性能與現(xiàn)行NTC熱敏感電阻相比具有很大區(qū)別，其性能各有優(yōu)缺點(diǎn)。 4摻金g-硅熱敏電阻與NTC熱敏電阻的性能對(duì)比 從上述結(jié)構(gòu)模型和工藝過程分析可知，摻金g-硅層是由金擴(kuò)入而形成的高補(bǔ)償?shù)腘型半導(dǎo)體，不存在PN結(jié)的結(jié)區(qū)。它的導(dǎo)電機(jī)理就是在外電場(chǎng)作用下未被重金屬補(bǔ)償?shù)氖Ｓ嗟氖┲?/p>

9、電子參與導(dǎo)電以及在外部熱作用下使金陷阱中的電子又被激活而參與導(dǎo)電，而呈現(xiàn)的電阻特性。由于原材料是高阻g-硅，原本施主濃度就很低，又被陷阱捕獲一些，剩余電子也就很少很少。參與導(dǎo)電的電子主要是陷阱中被熱激活的電子占絕對(duì)份額。也就是說，摻金g-硅熱敏電阻在一定的溫度下的電阻值，是決定于工藝流程中金擴(kuò)的濃度。研制實(shí)踐中也證明了這一理論分析。不同的金擴(kuò)濃度可以得到幾千歐姆到幾兆歐姆的電阻值。金擴(kuò)散成為產(chǎn)品質(zhì)量與性能控制的關(guān)健工序。我們認(rèn)為，由于摻金g-硅熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理與現(xiàn)行的NTC熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理完全不同，所以特性差別很大，也存在各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。摻金g-硅熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低，

10、易于大批量生產(chǎn)，阻值范圍寬（從幾千歐姆到幾兆歐姆），靈敏度高，特別是低于室溫的低溫區(qū)段比NTC熱敏電阻要高近一個(gè)量級(jí)。其缺點(diǎn)是：一批產(chǎn)品中電阻值的一致性較差、線性度不如NTC，使用電壓有閾值限制，超過閾值時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻。 摻金g-硅新型熱敏電阻與NTC熱敏電阻的電阻溫度靈敏度特性對(duì)比如圖5所示。 在不同溫度下，溫度靈敏度的實(shí)測(cè)值對(duì)比如表1所示。 摻金g-硅熱敏電阻是一種新型溫敏元件。本文雖作了較詳細(xì)的工作機(jī)理分析，但現(xiàn)在工藝尚未完全成熟，愿與用戶合作，共同探討，通過工藝改進(jìn)與提高，使這一新型元件早日成熟，推向市場(chǎng)，為用戶服務(wù)。表1 不同溫度下溫度靈敏度實(shí)測(cè)值對(duì)比(k/C) C0# 1# 2# 3

11、# 4# 5# 6# 注 6.3 12.4 29.8 28.9 32.1 25.7 35.0 36.1 10.7 9.5 21.0 20.5 22.8 17.8 24.9 25.6 14.9 7.9 16.2 15.9 17.3 13.6 19.2 19.6 21.3 5.1 9.3 9.1 9.9 7.9 11.0 11.2 26.9 4.2 7.7 7.8 7.0 8.2 7.1 8.0 31.0 3.4 4.2 4.4 4.7 3.7 5.2 5.2 36.2 2.7 3.2 3.2 23.4 2.7 3.8 3.8 42.1 2.0 2.2 2.2 2.3 1.8 2.6 2.5 49

12、.5 1.0 1.0 1.0 1.1 0.8 1.3 1.3 57.0 0.9 0.8 0.8 0.9 0.7 1.0 1.0 67.0 0.7 0.6 0.6 0.6 0.5 0.7 0.7 74.5 0.7 0.5 0.5 0.5 0.43 0.6 0.6 86.0 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.3 注：表1中0#樣件為NTC熱敏電阻，1#-6#樣件為摻金g-硅熱敏電阻。 三、力敏Z-元件 1概述 “力”參數(shù)的檢測(cè)與控制在國(guó)民 target=_blank class=infotextkey經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。力敏元件及其相應(yīng)的力傳感器可直接測(cè)力，通過力也可間接檢測(cè)許多

13、其它物理參數(shù)，如重量，壓力、氣壓、差壓、流量、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、扭矩、振動(dòng)等，在機(jī)械制造、機(jī)器人、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、工程地質(zhì)、機(jī)電一體化產(chǎn)品以及其它國(guó)民 target=_blank class=infotextkey經(jīng)濟(jì)裝備領(lǐng)域中，具有廣泛的用途。 在力參數(shù)的檢測(cè)與控制領(lǐng)域中，現(xiàn)行的各種力敏元件或力傳感器，包括電阻應(yīng)變片、擴(kuò)散硅應(yīng)變片、擴(kuò)散硅力傳感器等，嚴(yán)格說，應(yīng)稱為模擬力傳感器。它只能輸出模擬信號(hào)，輸出幅值小，靈敏度低是它的嚴(yán)重不足。這三種力敏元件或力傳感器，為了與數(shù)字計(jì)算機(jī)相適應(yīng)，用戶不得不采取附加的數(shù)字化方法（即加以放大和A/D轉(zhuǎn)換）才能與數(shù)字計(jì)算

14、機(jī)相連接，使用極其不便，也增加了系統(tǒng)的成本。 Z-元件能以極其簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)直接輸出數(shù)字信號(hào)，非常適合研制新型數(shù)字傳感器1，其中也包括力數(shù)字傳感器。這種力數(shù)字傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)（包括開關(guān)信號(hào)和脈沖頻率信號(hào)），不需A/D轉(zhuǎn)換，就可與計(jì)算機(jī)直接通訊，為傳感器進(jìn)一步智能化和網(wǎng)絡(luò)化提供了方便。我們?cè)谏钊胙芯縕-元件工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，初步研制成功力敏Z-元件，但目前尚不成熟，歡迎試用與合作開發(fā)這一新器件，實(shí)現(xiàn)力檢測(cè)與控制領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。 2力敏Z-元件的伏安特性 如前所述，力敏Z-元件也是一種其N區(qū)被重?fù)诫s補(bǔ)償?shù)母男訮N結(jié)。力敏Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。按本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電路符號(hào)如圖6(b)所示

15、，圖中“+”號(hào)表示PN結(jié)P區(qū)，即在正偏使用時(shí)接電源正極。圖6(c)為正向“L”型伏安特性，與其它Z-元件一樣該特性也分成三個(gè)工作區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負(fù)阻區(qū)，M3低阻區(qū)。描述這個(gè)特性有四個(gè)特征參數(shù)：Vth為閾值電壓，Ith為閾值電流，Vf為導(dǎo)通電壓， If為導(dǎo)通電流。 M1區(qū)動(dòng)態(tài)電阻很大，M3區(qū)動(dòng)態(tài)電阻很?。ń诹悖?，從M1區(qū)到M3區(qū)的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短（微秒級(jí)）， Z-元件具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：“高阻態(tài)”和“低阻態(tài)”，工作的初始狀態(tài)可按需要設(shè)定。若靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在M1區(qū)，Z-元件處于穩(wěn)定的高阻狀態(tài)，作為開關(guān)元件在電路中相當(dāng)于“阻斷”。若靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在M3區(qū)，Z-元件將處于穩(wěn)定的低阻狀態(tài)，作為開關(guān)

16、元件在電路中相當(dāng)于“導(dǎo)通”。在正向伏安特性上P點(diǎn)是一個(gè)特別值得關(guān)注的點(diǎn)，特稱為閥值點(diǎn)，其坐標(biāo)為：P(Vth，Ith)。P點(diǎn)對(duì)外部力作用十分敏感，其靈敏度要比伏安特性上其它諸點(diǎn)要高許多。利用這一性質(zhì)，可通過力作用，促成工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換或周而復(fù)始地轉(zhuǎn)換，就可分別輸出開關(guān)信號(hào)或脈沖頻率信號(hào)。 3力敏Z-元件的電路結(jié)構(gòu) 力敏Z-元件的應(yīng)用電路十分簡(jiǎn)單，利用其“L”型伏安特性，在力載荷的作用下，很容易獲得開關(guān)量輸出或脈沖頻率輸出。力敏Z-元件的基本應(yīng)用電路如圖7所示。其中，圖7(a)為開關(guān)量輸出，圖7( b)為脈沖頻率輸出。其輸出波形分別如圖8和圖9所示。 在圖7所示的應(yīng)用電路中，電路的結(jié)構(gòu)特征是：

17、力敏Z-元件與負(fù)載電阻相串聯(lián)，負(fù)載電阻RL用于限制工作電流，并取出輸出信號(hào)。Z-元件應(yīng)用開發(fā)的基本工作原理就在于通過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)電管道的力調(diào)變效應(yīng)，使工作電流發(fā)生變化，從而改變Z-元件與負(fù)載電阻RL之間的壓降分配，獲得不同波形的輸出信號(hào)。（1）力敏Z-元件的開關(guān)量輸出在圖7(a)所示的電路中，通過E和RL設(shè)定工作點(diǎn)Q，如圖6c所示。若工作點(diǎn)選擇在M1區(qū)時(shí)，力敏Z-元件處于小電流的高阻工作狀態(tài)，輸出電壓為低電平。由于力敏Z-元件的閾值電壓Vth對(duì)力載荷F具有很高的靈敏度，當(dāng)力載荷F增加時(shí)，閾值點(diǎn)P向左推移，使Vth減小，當(dāng)力載荷F增加到某一閾值Fth時(shí)，力敏Z-元件上的電壓VZ恰好滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)

18、換條件1，即VZ=Vth，力敏Z-元件將從M1區(qū)跳變到M3區(qū)，處于大電流的低阻工作狀態(tài)，輸出電壓為高電平。在RL上可得到從低電平到高電平的上跳變開關(guān)量輸出，如圖8(a)所示。如果在圖7(a)所示電路中，把力敏Z-元件與負(fù)載電阻RL互換位置，則可得到由高電平到低電平的下跳變開關(guān)量輸出，如圖8(b)所示。無(wú)論是上跳變或下跳變開關(guān)量輸出，VO的跳變幅值均可達(dá)到電源電壓E的4050%。開關(guān)量輸出的力敏Z-元件可用作力敏開關(guān)、力報(bào)警器或力控制器。 （2）力敏Z-元件的脈沖頻率輸出 由于力敏Z-元件的伏安特性隨外部激勵(lì)改變而改變，只要滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，就可實(shí)現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。如果滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換，負(fù)載電阻RL上可輸出開關(guān)信號(hào)；同理，如果滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，設(shè)法實(shí)現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的周期性轉(zhuǎn)換，則負(fù)載電阻RL上就可輸出脈沖頻率信號(hào)。脈沖頻率輸出電路如圖7(b)所示。在圖7(b)電路中，力敏 Z-元件與電容器C并聯(lián)。由于力敏Z-元件具有負(fù)阻效應(yīng)，且有兩個(gè)工作狀態(tài)，當(dāng)并聯(lián)以電容后，通過RC充放電作用，構(gòu)成RC振蕩回路，因此在輸出端可得到與力載荷成比例變化的脈沖頻率信號(hào)輸出。其輸出波形如圖9(a)所示。輸出頻率的大小與E、RL、C取值有關(guān)，也與力敏Z-元件的閾值電壓Vth值有關(guān)。當(dāng)E、RL、C參數(shù)確定后