CH10半導(dǎo)體傳感器教學(xué)內(nèi)容

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。CH10半導(dǎo)體傳感器-CH10半導(dǎo)體傳感器10.1氣敏傳感器用半導(dǎo)體氣敏元件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、預(yù)報和自動控制,氣敏元件是以化學(xué)物質(zhì)的成分為檢測參數(shù)的化學(xué)敏感元件。1、氣敏電阻的工作原理氣敏電阻的材料是金屬氧化物,在合成材料時,通過化學(xué)計量比的偏離和雜質(zhì)缺陷制成,金屬氧化物半導(dǎo)體分N型半導(dǎo)體,如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等,P型半導(dǎo)體,如氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等。為了提高某種氣敏元件對某些氣體成分的選擇性和靈敏度,合成

2、材料有時還滲入了催化劑,如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。金屬氧化物在常溫下是絕緣的,制成半導(dǎo)體后卻顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中,空氣中的氧和NO2這樣的電子兼容性大的氣體,接受來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負電荷,結(jié)果使N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少,使表面電導(dǎo)減小,從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦元件與被測還原性氣體接觸,就會與吸附的氧起反應(yīng),將被氧束縛的電子釋放出來,敏感膜表面電導(dǎo)增加,使元件電阻減小。該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200450）,目的是為了加速上述的氧化還原反應(yīng)。例如,用氧化錫制成的氣敏元件,在常溫下吸附某種氣體后,其電導(dǎo)率變化不大,若保持這種氣

3、體濃度不變,該器件的電導(dǎo)率隨器件本身溫度的升高而增加,尤其在100300范圍內(nèi)電導(dǎo)率變化很大。顯然,半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增加是由于多數(shù)載流子濃度增加的結(jié)果。氧化錫、氧化鋅材料氣敏元件輸出電壓與溫度的關(guān)系如圖10-1（b）所示。由上述分析可以看出,氣敏元件工作時需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。因此,氣敏元件結(jié)構(gòu)上,有電阻絲加熱,結(jié)構(gòu)如圖101(a)所示,1和2是加熱電極,3和4是氣敏電阻的一對電極。SKIPIF10氣敏元件的基本測量電路,如圖10-1（a）所示,圖中EH為加熱電源,EC為測量電源,電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化,輸出電壓（信號電壓）由電阻Ro上取出。特別在低濃度下靈敏度高,

4、而高濃度下趨于穩(wěn)定值。因此,常用來檢查可燃性氣體泄漏并報警等。2、氣敏傳感器的應(yīng)用氣敏電阻元件種類很多,按制造工藝上分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。(1)燒結(jié)型氣敏元件將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中,經(jīng)加熱成型后低溫?zé)Y(jié)而成。目前最常用的是氧化錫（SnO2）燒結(jié)型氣敏元件,它的加熱溫度較低,一般在200300,SnO2氣敏半導(dǎo)體對許多可燃性氣體,如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度（2）薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或濺射方法,在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜（厚度0.1m以下）,構(gòu)成薄膜型氣敏元件。（3）氧化鋅（ZnO）薄膜型氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片,通過

5、真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬,用鉑或鈀膜作引出電極,最后將基片上的鋅氧化。氧化鋅敏感材料是N型半導(dǎo)體,當(dāng)添加鉑作催化劑時,對丁烷、丙烷、乙烷等烷烴氣體有較高的靈敏度,而對H2、CO2等氣體靈敏度很低。若用鈀作催化劑時,對H2、CO有較高的靈敏度,而對烷烴類氣體靈敏度低。因此,這種元件有良好的選擇性,工作溫度在400500的較高溫度。(4)厚膜型氣敏元件將氣敏材料（如SnO2、ZnO）與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠。把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁（Al2O3）基片上,在400800的溫度下燒結(jié)12小時便制成厚膜型氣敏元件。用厚膜工藝制成的器件一致性較好,機械強度高,適于批量生

6、產(chǎn)。以上三種氣敏器件都附有加熱器,在實際應(yīng)用時,加熱器能使附著在測控部分上的油霧、塵埃等燒掉,同時加速氣體氧化還原反應(yīng),從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。9.2濕敏傳感器濕度是指大氣中的水蒸氣含量,通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度是指單位空間中所含水蒸氣的絕對含量或者濃度或者密度,一般用符號AH表示。相對濕度是指被測氣體中蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比,一般用符號RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度,它是一個無量綱的量,在實際使用中多使用相對濕度這一概念。下面介紹一些至今發(fā)展比較成熟的幾類濕敏傳感器。1、氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解,離子導(dǎo)電率

7、發(fā)生變化而制成的測濕元件。該元件的結(jié)構(gòu)如圖10-2所示,由引線、基片、感濕層與電極組成。SKIPIF10氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體,在氯化鋰（LiCl）溶液中,Li和Cl均以正負離子的形式存在,而Li+對水分子的吸引力強,離子水合程度高,其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場中,若環(huán)境相對濕度高,溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?因此,其溶液電阻率增高。反之,環(huán)境相對濕度變低時,則溶液濃度升高,其電阻率下降,從而實現(xiàn)對濕度的測量。氯化鋰濕敏元件的濕度電阻特性曲線如圖10-3所示。由圖可知,在50%80%相對濕度范圍內(nèi),電阻與濕度的變化呈線性關(guān)系。為了擴大濕度測量的線性范圍,可以

8、將多個氯化鋰含量不同的器件組合使用,如將測量范圍分別為(10%20%)RH,(20%40%)RH,(40%70%)RH,(70%90%)RH和(80%99%)RH五種元件配合使用,就可自動地轉(zhuǎn)換完成整個濕度范圍的濕度測量。氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點是滯后小,不受測試環(huán)境風(fēng)速影響,檢測精度高達%,但其耐熱性差,不能用于露點以下測量,器件性能的重復(fù)性不理想,使用壽命短。2、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO、2-V2O5系，Si-Na2O-V2O5系，TiO2-MgO-Cr2O3系，F(xiàn)e3O4等,前三種材料的電阻率隨

9、濕度增加而下降,故稱為負特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷(為敘述方便，有時將半導(dǎo)體陶瓷簡稱為半導(dǎo)瓷)。（1）負特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理由于水分子中的氫原子具有很強的正電場,當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時,就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子,使半導(dǎo)瓷表面帶負電。如果該半導(dǎo)瓷是型半導(dǎo)體,則由于水分子吸附使表面電勢下降。若該半導(dǎo)瓷為型,則由于水分子的附著使表面電勢下降。如果表面電勢下降較多,不僅使表面層的電子耗盡,同時吸引更多的空穴達到表面層,有可能使到達表面層的空穴濃度大于電子濃度,出現(xiàn)所謂表面反型層,這些空穴稱為反型載流子。它們同樣可以在表面遷移而對電導(dǎo)做出貢獻

10、,由此可見,不論是型還是型半導(dǎo)瓷,其電阻率都隨濕度的增加而下降。圖10-4表示了幾種負特性半導(dǎo)瓷阻值與濕度之關(guān)系。SKIPIF10（2）正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理認為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負特性材料有所不同。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢變負時,導(dǎo)致其表面層電子濃度下降,但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度,此時仍以電子導(dǎo)電為主。于是,表面電阻將由于電子濃度下降而加大,這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。如果對某一種半導(dǎo)瓷,它的晶粒間的電阻并不比晶粒內(nèi)電阻大很多,那么表面層電阻的加大對總電阻并不起多大作用。不過,通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的

11、,表面電導(dǎo)占的比例很大,故表面層電阻的升高,必將引起總電阻值的明顯升高;但是,由于晶體內(nèi)部低阻支路仍然存在,正特性半導(dǎo)瓷的總電阻值的升高沒有負特性材料的阻值下降得那么明顯。圖10-5給出了Fe3O4正特性半導(dǎo)瓷濕敏電阻阻值與濕度的關(guān)系曲線。（3）典型半導(dǎo)瓷濕敏元件AMgCr2O4-TiO2濕敏元件氧化鎂復(fù)合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕-電”轉(zhuǎn)換器件,它是負特性半導(dǎo)瓷,MgCr2O4為型半導(dǎo)體,它的電阻率低,阻值溫度特性好,結(jié)構(gòu)如圖10-6所示,在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。SKIPIF10SKIPIF10金電極與引出線燒結(jié)在一起,為了減少測量誤差,在

12、陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線圈,以便對器件加熱清洗,排除惡劣氣氛對器件的污染。整個器件安裝在陶瓷基片上,電極引線一般采用鉑-銥合金。MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器的相對濕度與電阻值之間的關(guān)系,見圖10-7所示。傳感器的電阻值既隨所處環(huán)境的相對濕度的增加而減少,又隨周圍環(huán)境溫度的變化而有所變化。BZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上,并焊上鉑引線,然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定而做成的，其結(jié)構(gòu)如圖10-8所示。ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度,而無需加熱除污裝置,因此功耗低于0.

13、5,體積小,成本低,是一種常用測濕傳感器。SKIPIF10SKIPIF1010.3半導(dǎo)體色敏傳感器半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏感器件中的一種。它是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探測器件。但不管是光電導(dǎo)器件還是光生伏特效應(yīng)器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內(nèi)光的強度,或者說光子的數(shù)目。而半導(dǎo)體色敏器件則可用來直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。這是近年來出現(xiàn)的一種新型光敏器件。1、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10-9所示。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

14、機理。SKIPIF10（1）光電二極管的工作原理對于用半導(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h大于硅的禁帶寬度Eg,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-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-結(jié),產(chǎn)生的光生載流子只要能擴散到勢壘區(qū)的邊界,其中少數(shù)載流子（專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的空穴）就受勢壘區(qū)強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。多數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴或N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。在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴,則分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū),它們對電流也有貢獻。用能帶

15、圖來表示上述過程如圖10-10（a）所示。圖中Ec表示導(dǎo)帶底能量;Ev表示價帶頂能量?！啊北硎編д姾傻目昭?“”表示電子。IL表示光電流,它由勢壘區(qū)兩邊能運動到勢壘邊緣的少數(shù)載流子和勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電子-空穴對構(gòu)成,其方向是由N區(qū)流向P區(qū),即與無光照射P-N結(jié)的反向飽和電流方向相同。當(dāng)P-N結(jié)外電路短路時,這個光電流將全部流過短接回路,即從P區(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,短接時外回路中的電流是L,方向由P端經(jīng)外接回路流向N端。SKIPIF10這時,P-N結(jié)中的載流子濃度保持平衡值,勢壘高度（圖10-10（a）中的q(UD-U)）

16、亦無變化。當(dāng)P-N結(jié)開路或接有負載時,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P區(qū)電位升高,N區(qū)電位降低,造成一個光生電動勢,如圖10-10（b）所示。該電動勢使原P-N結(jié)的勢壘高度下降為q（U-U）。其中V即光生電動勢,它相當(dāng)于在P-N結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是光照形成的,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。硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長變化的曲線如圖10-11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,波長短的光子衰減快,穿透

17、深度較淺,而波長長的光子則能進入硅的較深區(qū)域。對于光電器件而言,還常用量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)理論計算可以得到,P區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨波長變化的曲線如圖10-12所示。圖中xj即表示結(jié)深。淺的P-N結(jié)有較好的藍紫光靈敏度,深的P-N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。SKIPIF10SKIPIF10（2）半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理圖10-9中所表示的P-N-P不是晶體管,而是結(jié)深不同的兩個P-N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P-N結(jié)。當(dāng)有入射光照射時,P、N、P三

18、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,紫外光部分吸收系數(shù)大,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,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。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,圖10-13硅色敏管中VD和VD的光譜響應(yīng)曲線就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。在具體應(yīng)用時,應(yīng)先對該色敏器件進行標(biāo)定。也就是說，測定不同波長的光照射下

19、,該器件中兩只光電二極管短路電流的比值SD2SD1,SD1是淺結(jié)二極管的短路電流,它在短波區(qū)較大。SD2是深結(jié)二極管的短路電流,它在長波區(qū)較大,因而二者的比值與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定的曲線,實測出某一單色光時的短路電流比值,即可確定該單色光的波長。圖10-13表示了不同結(jié)深二極管的光譜響應(yīng)曲線。圖中VD代表淺結(jié)二極管,VD代表深結(jié)二極管。SKIPIF102、半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征（1）光譜特性半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍,不同型號之間略有差別。圖10-14（a）給出了國產(chǎn)CS型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性,其波長范圍是4001000nm。（2）短路電流比

20、波長特性短路電流比波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力,是賴以確定被測波長的基本特性。圖10-14（b）表示上述CS-型半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比波長特性曲線。（3）溫度特性由于半導(dǎo)體色敏器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比,而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的,具有相同的溫度系數(shù),這種內(nèi)部補償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感,所以通常可不考慮溫度的影響。SKIPIF103、應(yīng)用（1）實用酒精測試儀圖10-15所示為實用酒精測試儀的電路。該測試儀只要被試者向傳感器吹一口氣,便可顯示出醉酒的程度,確定被試者是否還適宜駕駛車輛。氣體傳感器選用二氧化錫氣敏元件。當(dāng)氣體傳感器探測不到酒精時,