半導(dǎo)體敏感元件

1、版/第10章Z半導(dǎo)體敏感元件第10章Z半導(dǎo)體敏感元件10.1 z-半導(dǎo)體敏感元件的由來與特點(diǎn)10.2 溫敏Z一元件的伏安特歸10.3 基本應(yīng)用電路10.4 應(yīng)用開發(fā)的基本原理10.5 力敏”元件簡(jiǎn)介BACK版德第10章z半導(dǎo)體敏感元件10.10半導(dǎo)體敏感元件的由來與特點(diǎn)1.1.1 1由來自1993年以來，Z-元件（Z-元件是俄羅斯傳感器專家V.D.Zotov在20世紀(jì)80年代中期獨(dú)家研制的專利技術(shù)，在全世界范圍內(nèi)無類似產(chǎn)品，屬國(guó)際首創(chuàng)的高新技術(shù)前沿產(chǎn)品）在世界和我國(guó)引起轟動(dòng)。版觸第10章z半導(dǎo)體敏感元件這種元件正向輸入直流電壓，可得到幅值為輸入電壓20%40%的直流脈沖，頻率隨溫度、濕度、磁場(chǎng)

2、、流量、光強(qiáng)、射線等物理量變化，無需前置放大器和A/D轉(zhuǎn)換直接得到數(shù)字信號(hào)（準(zhǔn)確地說是脈沖信號(hào)）。它性能獨(dú)特，完全區(qū)別于一般的半導(dǎo)體二極管和無源敏感元件（如熱敏電阻）。它是一種有源非線性敏感元件。版觸第10章z半導(dǎo)體敏感元件Z-半導(dǎo)體敏感元件（簡(jiǎn)稱Z-元件）是20世紀(jì)末剛剛出現(xiàn)的高新技術(shù)前沿產(chǎn)品。由于它特性新穎、市場(chǎng)潛力大、具有廣闊的應(yīng)用前景，已引起國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注和極大的興趣。Z-元件主要有溫敏、光敏和磁敏三種,FI前力敏Z-元件也已應(yīng)用。本章詳細(xì)介紹溫敏Z-元件的結(jié)構(gòu)、特性、應(yīng)用電路、工作原理和應(yīng)用開發(fā)方向,以供廣大讀者了解Z-元件，正確使用Z元件以備開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)參考。本章還將簡(jiǎn)單介紹力敏

3、Z元件。班第10章Z 半導(dǎo)體敏感元件Z-元件具有一系列優(yōu)點(diǎn)，在信息產(chǎn)業(yè)界受到高度重視。它的應(yīng)用電路極其簡(jiǎn)單,輸出幅值大、靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，可分別輸出模擬、開關(guān)或頻率三種信號(hào)。當(dāng)輸出數(shù)字量信號(hào)時(shí);它不需前置放大和A/D轉(zhuǎn)換就可與計(jì)算機(jī)直接通訊，特別適合研制新一代微型三端數(shù)字傳感器。這種新型數(shù)字傳感器可使信息系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，有助于降低成本，提高可靠性，縮短研制周期，為用戶新產(chǎn)品開發(fā)帶來很大的方便。班第10章Z半導(dǎo)體敏感元件溫敏Z-元件的應(yīng)1日領(lǐng)域十分廣闊，幾乎可涉及國(guó)計(jì)民生各個(gè)部門。預(yù)期在航空航天、機(jī)器人、火災(zāi)探測(cè)、保安報(bào)警、家用電器、汽車電子、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)氣象、光纖通訊、

4、電力系統(tǒng)、儀器儀表、兒童玩具等領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的應(yīng)用。班第10章z半導(dǎo)體敏感元件Z-元件在正偏使用時(shí)，它具有一條“L型伏安特性，在電壓(或在溫、光、磁等外部激勵(lì)下)控制下，可從高阻狀態(tài)迅速經(jīng)過負(fù)阻區(qū)跳變到低阻狀態(tài)。在反偏使用時(shí)，與常規(guī)PN結(jié)特性相似，但反向擊穿電壓很高，反向漏電流很小，具有低功耗特點(diǎn)。Z-元件能利用極其簡(jiǎn)單的電路，設(shè)定在不同的偏置狀態(tài)，選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，可在溫、光、磁等外部激勵(lì)下，迅速產(chǎn)生靈敏度很高的與外部激勵(lì)物理量成比例的開關(guān)量輸出、頻率脈沖輸出或低功耗模擬量輸出，這種優(yōu)異的特性展示了Z元件的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景。1.1.2 2特點(diǎn)Z-半導(dǎo)體敏感元件是一種新型半導(dǎo)體敏感元件

5、，它與其它敏感元件相比有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)體積極小,特別適合研制微型電子裝置。(2)反應(yīng)靈敏,特別適合研制快速反應(yīng)的電子裝置。(3)工作電壓低，工作電流小，特別適合研制便攜式電子裝置和本質(zhì)安全型儀器。(4)Z-元件應(yīng)用電路目前在世界范圍內(nèi)是最簡(jiǎn)單的,可大幅度降低整機(jī)成本，而且由于它焊點(diǎn)少，因而故障率低,可提高整機(jī)可靠性。瓦第10章Z 半導(dǎo)體敏感元件(5)Z-元件應(yīng)用電路統(tǒng)一規(guī)范，測(cè)量溫度、磁場(chǎng)、光強(qiáng)等參數(shù)均用同一種簡(jiǎn)單電路，為用戶的二次開發(fā)提供了極大的方便。(6)Z-元件可直接輸出頻率信號(hào)，可與計(jì)算機(jī)直接連接，免除繁瑣昂貴的中間環(huán)節(jié)，為用戶降低整機(jī)成本提供了重要的前提。(7)Z-元件是研制

6、新一代“數(shù)字傳感器”的理想元件，隨著數(shù)字傳感器的不斷出現(xiàn)，在不久的將來可能促成傳感器、儀器儀表結(jié)構(gòu)和工業(yè)測(cè)控方式的重大變革。(8)可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。BACK砥就第10章z半導(dǎo)體敏感元件10.2 溫敏Z元件的伏安特性Z元件是用電阻率為4060Qcm,厚度為50jim的N型硅單晶，采用平面擴(kuò)散工藝進(jìn)行A1擴(kuò)散以形成PN結(jié)，然后用AuC14H2。溶液在高溫下進(jìn)行Au的擴(kuò)散。制成的硅片進(jìn)行單面打磨后，用化學(xué)方法鍍上Ni電極以形成歐姆接觸，然后劃片切割，制取臺(tái)面以減少漏電流,最后進(jìn)行引線焊接和封裝。版露第10章 Z 半導(dǎo)體敏感元件實(shí)際上Z-元件可以簡(jiǎn)化為一個(gè)PN結(jié)+敏感層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該敏感層是由元件的擴(kuò)

7、金工藝制成的。對(duì)于Au在Si中的電學(xué)性質(zhì)和對(duì)于摻金硅熱敏電阻器的研究表明：Au在Si中為具有較大的擴(kuò)散系數(shù)的深能級(jí)雜質(zhì),在距離價(jià)帶頂().35eV處有一施主能級(jí)，在距離帶底().45eV有一受主能級(jí)。無論是在N型硅還是在P型硅中Au均起到復(fù)合中心的作用，可以減少Si中的載流子濃度和提高電阻率并形成熱敏電阻。該熱敏層具有典型的體效應(yīng)半導(dǎo)體的特征。班第10章Z半導(dǎo)體敏感元件溫敏Z-元件是一種兩端子有限熱敏元件，它在.25+100°C的環(huán)境溫度中具有較高的輸出靈敏度，超過現(xiàn)今任何一種熱敏元件。溫敏Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖10.1(a)所示。其電路符號(hào)如圖10.1(b)所示，'

8、9;+號(hào)表示P區(qū)，即在正偏使用時(shí)接電源正極。圖10.1(c)為正向伏安特性，與一般PN結(jié)不同，該伏安特性具有“L型特征。它可分成三個(gè)工作區(qū)：M1高阻區(qū)(詳細(xì)又可分為線性區(qū)和非線性區(qū))，M2負(fù)陽(yáng)區(qū)，M3低阻區(qū)。它具有四個(gè)特征參數(shù)：Un為閥值電壓，1訃為閥值電流，5為導(dǎo)通電壓,1為導(dǎo)通電流。第10章Z半導(dǎo)體敏感元件圖10.1電路符號(hào)與伏安特性-凝J第10章Z 半導(dǎo)體敏感元件BACK10.3 基本應(yīng)用電路溫敏Z-元件的基本應(yīng)用電路如圖10.2所示。其中圖10.2(a)為Z-元件正偏使用，可.輸出開關(guān)信號(hào)或模擬信號(hào)，用于溫度越限報(bào)警或溫度檢測(cè)。圖10.2(b)為Z-元件反偏使用，可輸出模擬信號(hào)，用于溫

9、度檢測(cè)，該檢測(cè)電路具有低功耗的特點(diǎn)。圖10.2(c)為Z-元件正偏使用,可輸出與溫度成比例的大幅值頻率信號(hào)，它不需放大和A/D轉(zhuǎn)換就可與計(jì)算機(jī)直接通訊，用于溫度檢測(cè)極為方便。圖10.2所示的三種基本電路都是Z-元件與無源元件的某種組合，電路極為簡(jiǎn)單而且規(guī)范。它們僅有三個(gè)端子：直流電源E、輸出U。和電可構(gòu)成微型三端傳感器。這種微型三端傳感器按采用電路不同，可分別輸出以溫度為變量的模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)和頻率信號(hào)。其中后兩種輸出為數(shù)字信號(hào)，稱為三端數(shù)字傳感器。這種數(shù)字傳感器，其輸出信號(hào)不需放大，也不需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換即是數(shù)字信號(hào)，因而可與計(jì)算機(jī)直接通訊。它使信息系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，為用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶

10、來極大的方便，必將成為未來信息采集系統(tǒng)的重要部件之一。0第10章 z 半導(dǎo)體敏感元件圖10.2Z元件的基本應(yīng)用電路BACK圖第10章Z半導(dǎo)體敏感元件10.4 應(yīng)用開發(fā)的基本原理10.4.1 應(yīng)用開發(fā)綜述Z-元件應(yīng)用電路包含Z-元件在內(nèi)，它僅用2個(gè)（或3個(gè)）電子元器件，改變不同的組合，采用不同的控制方式，就能輸出多種不同的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同的用途。利用溫敏Z-元件開發(fā)新產(chǎn)品，成本低、十分方便。在圖10.2所示的電路結(jié)構(gòu)中,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)。砥送第10章Z半導(dǎo)體敏感元件Z-元件應(yīng)用開發(fā)的基本原理，就在于控制Z-元件的工作狀態(tài)，通過工作電流的變化，改

11、變Z-元件與負(fù)載電阻RL的壓降分配，取出不同波形的輸出信號(hào)?？刂芞-元件的工作狀態(tài)，可通過恒定電壓E下的溫度控制,或者恒定溫度下的電壓控制兩種方式實(shí)現(xiàn)，可分別開發(fā)出兩種不同類型的新產(chǎn)品。若采取恒定電壓下的溫度控制，由于Z-元件的伏安特性隨溫度改變將向左推移,只要滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件就可實(shí)現(xiàn)Z元件工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換或周期性轉(zhuǎn)換。班第10章Z 半導(dǎo)體敏感元件如果滿足狀態(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可輸出開關(guān)信號(hào)；如果滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的周期性轉(zhuǎn)換，負(fù)載電阻Rl上可輸出頻率脈沖信號(hào)；如果在外部溫度作用下,Z-元件的工作狀態(tài)產(chǎn)生連續(xù)變化，則負(fù)載電阻Rl上可

12、取出模擬信號(hào)。恒定溫度下的電壓控制與恒定電壓下的溫度控制具有雷同的物理本質(zhì)，也能輸出開關(guān)、模擬和頻率脈沖信號(hào)，但實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用領(lǐng)域完全不同。W露第10章Z半導(dǎo)體敏感元件10.4.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件溫敏Z-元件采川的電路若輸出模擬信號(hào)，可構(gòu)成三端模擬傳感器，它與常規(guī)模擬傳感器相比，具有高靈敏度或低功耗特點(diǎn)，可用于溫度檢測(cè)。若輸出開關(guān)信號(hào)或頻率信號(hào)，則可構(gòu)成新型三端數(shù)字傳感器，用于溫度監(jiān)控報(bào)警或溫度檢測(cè)。三端數(shù)字傳感器的工作本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)溫敏Z元件工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此，必須首先了解它的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。圖第10章Z 半導(dǎo)體敏感元件溫敏Z-元件是一種電壓控制器件，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件自然是一個(gè)電壓表達(dá)式。實(shí)際上，

13、只要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)Q與閥值點(diǎn)P的“相匯”，就可實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。若Z-元件兩端的電壓為Uz，狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的電壓表達(dá)式為UzZUfh和Uz<Ufo流露第10章Z半導(dǎo)體敏感元件10.4.3 基本應(yīng)用舉例1.基本應(yīng)用溫敏Z-元件組態(tài)靈活，開發(fā)潛力大。基于上述的應(yīng)用開發(fā)原理從表10.1、10.2.10.3可知：它包含溫敏Z-元件在內(nèi)，僅用2個(gè)（或3個(gè)）元器件，就能組合出12種電路結(jié)構(gòu)，其中包括開關(guān)量、模擬量和頻率脈沖三種輸出方式，可相應(yīng)輸出12種波形，能實(shí)現(xiàn)溫控開關(guān)、壓（電壓）控開關(guān)、模擬量輸出溫度傳感器、低功耗模擬量輸出溫度傳感器、頻率輸出溫度傳感器、電壓頻率變換器等6種基本應(yīng)用，可廣泛應(yīng)用

14、于溫度檢測(cè)、溫度監(jiān)控與報(bào)警，電壓檢測(cè)、電壓監(jiān)控與報(bào)警，把其它非電量變換成電壓后也可間接應(yīng)用于非電量檢測(cè)、非電量監(jiān)控與報(bào)警。班第10章z半導(dǎo)體敏感元件其中溫控開關(guān)和頻率輸出傳感器將是溫敏z-元件應(yīng)用的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有廣泛的應(yīng)用前景；抑制溫度影響是比較困難的，但也有解決的辦法：可在恒溫環(huán)境下使用，或者利用熱敏負(fù)載電阻Rl進(jìn)行溫度補(bǔ)償，或者構(gòu)造一個(gè)局部恒溫小環(huán)境，這種方法國(guó)內(nèi)技術(shù)已經(jīng)成熟，實(shí)踐表明是有效的。依據(jù)UI曲線，我們對(duì)振蕩頻率進(jìn)行了估算。使用參數(shù)有：電容C,限流電阻R,Z元件高阻時(shí)的阻值Rm電源電壓E。卷第10章Z半導(dǎo)體金攵感元件表10.1溫敏Z元件基本應(yīng)用產(chǎn)品名稱電路結(jié)構(gòu)輸出波形應(yīng)用領(lǐng)域開關(guān)

15、量輸出溫控開關(guān)圖A1圖A2溫度控制與報(bào)警圖B1圖B2壓控開關(guān)圖C1圖C2電壓控制與報(bào)警非電1ft控制與報(bào)警圖D1圖D2溫度傳感器圖E1圖E2溫度檢測(cè)圖F1圖F2低功耗溫度傳感器圖G1圖G2溫度檢測(cè)圖H1圖H2頻率脈沖輸出溫度頻率變換器（頻率輸出溫度傳感器）圖11圖12溫度檢測(cè)圖J1圖J2電壓頻率變換器圖K1圖K2電壓檢測(cè)非電量檢測(cè)圖L1圖L2第10章Z半導(dǎo)體敏感元件Z半導(dǎo)體敏感元件卷第10章Z半導(dǎo)體敏感元件Z元件的閾值電壓Un和導(dǎo)通電壓Uf,這兩個(gè)參數(shù)從U-I特性和脈沖輸出波形上均可讀出(Z元件的高阻Rbb和低阻態(tài)的電阻可由U-I特性斜率來計(jì)算)。首先,要了解物理過程。電路接通電源后，電容充電

16、，至電容上電壓為Um時(shí)，Z元件成低阻態(tài)，Z元件兩端電壓為Uf,電容放電；至電容上電壓稍低于Uf時(shí)，Z-元件成高阻態(tài);從而在Rl上獲得脈沖輸出。從圖1().1(c)可知放電時(shí)間非常短，可忽略(Z元件低阻態(tài)的電阻約20C),因此僅考慮充電過程。充電過程為電源E通過電阻Rl向電容C充電,應(yīng)滿足4第10章Z半導(dǎo)體敏感元件q其中所以+iRf=EC.dqqI=+dtCRUdqqRtR,+(1)=EdtCR-bbR,+R-Lbn解微分方程,得z元件充電電壓隨時(shí)間關(guān)系為U=aE-eaRS第10章Z半導(dǎo)體敏感元件Z元件的振蕩周期T近似為電容電壓從Uf上升到UTh的時(shí)間，即ufuTiT=aCin(-)-ln(l叼

17、aEaE其中，參數(shù)a的意義是Z元件在負(fù)阻之前的電阻不足夠大所引起的修正系數(shù)。而電容放電時(shí)的Z元件等效電阻約20由于室溫下的R、C、氏八Jh、E均可測(cè)出，因此可相應(yīng)地計(jì)算得出脈沖輸出的頻率f。砥露第10章z半導(dǎo)體敏感元件2.應(yīng)用舉例1)低功耗超溫報(bào)警器在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，有許多需耍對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)視、報(bào)警和控制的例子，例如防火、大棚溫度、冷庫(kù)、賓館和糧倉(cāng)等。利用溫敏Z-元件，可以研制出多種低功耗控溫及報(bào)警裝置。圖10.3的報(bào)警器中，溫度傳感器使用溫敏Z-元件,而且是反向使用。Z-元件的反向電流是隨著環(huán)境溫度的升高而增大。第10章Z半導(dǎo)體敏感元件圖10.3低功耗超溫報(bào)警器電路版觸第10章Z半導(dǎo)

18、體敏感元件2）冰柜溫控器隨著人們生活水平的提高，對(duì)低溫冷藏類家用電器的需求日益增加。Z-元件低溫工作性能獨(dú)特，非常適合開發(fā)各種低溫工作的溫控器。圖10.4溫控器的溫度傳感器使用溫敏Z-元件，其工作方式為M1區(qū)向區(qū)轉(zhuǎn)換而輸出的“+跳變信號(hào)，用以觸發(fā)可控硅Vg從而使繼電器J1動(dòng)作，J1的觸點(diǎn)JI-1接通致冷泵M,使其運(yùn)轉(zhuǎn)，而觸點(diǎn)J1-2斷開。班第10章Z半導(dǎo)體敏感元件圖10.4冰柜溫控器電路BACK砥露第10章Z半導(dǎo)體敏感元件10.5力敏Z-元件簡(jiǎn)介上面Z-元件特性分析表明，無論何種Z-元件都對(duì)溫度敏感，如要獲得對(duì)其它參數(shù)敏感的元件，可通過選取工作點(diǎn)使其對(duì)溫度的敏感度下降，能夠被忽略或可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。潦/第10章Z半導(dǎo)體敏感元件半導(dǎo)體元件具有壓阻效應(yīng)。若元件正偏置，當(dāng)外力作用于Z-元件的P端時(shí)，敏感層的電阻率變小，使得伏安特性曲線高阻區(qū)的斜率增大，達(dá)到閾值電流時(shí)的電壓值小于靜態(tài)下的UTh，所以曲線發(fā)生跳變時(shí)的電壓小于U%從而使特性曲線向左移，施加的力值越大，左移的距離越大。反之，當(dāng)外力作用于Z-元件的N端時(shí)，敏感層的電阻率變大，使得伏安特性曲線高阻區(qū)的斜率減小，達(dá)到閾值電流時(shí)的電壓值