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）時發(fā)現(xiàn)BaTiO3的室溫電阻率降低到101~104Ω·cm，與此同時，當材料溫度超過居里溫度時，在幾十度的范圍內(nèi)，電阻率會增大4~10個數(shù)量級，即PTC效應(yīng)。1.PTC熱敏電阻簡介PTC熱敏電阻PTCR的實用化從本世紀80年代初開始。已大量應(yīng)用于彩電、冰箱、手機等家用電器。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－時間特性。PTC熱敏電阻電阻－溫度特性（阻溫特性）I↑→W↑→T↑→ρ↑→I↓過熱保護、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，負溫區(qū)（NTC區(qū)）

II.

Tmin＜T＜Tmax，正溫區(qū)（PTC區(qū)）

III.T＞Tmax，負溫區(qū)（NTC區(qū)）對Ⅱ區(qū)：取對數(shù)，并利用對數(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℃時測得零功率電阻率（彩電消磁器、冰箱啟動器：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）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T1、T2則早期αmax≈10％∕℃或20～30％∕℃。近年來，40℃溫度范圍內(nèi)αmax達30％∕℃，20℃溫度范圍內(nèi)αmax達40～50％∕℃。PTC熱敏電阻開關(guān)溫度Tb：ρ＝2ρmin所對應(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nA/nD↑，則ρ25℃↑，αmax↑，↑；當T燒↑，t?！羗ax↑

↑，當Tb↓時，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↑，熱擊穿過電流保護過載保護額定電壓最大工作電壓外加電壓Vmax時的殘余電流外加電壓Vk時的動作電流PTC熱敏電阻按居里溫度分類：低溫PTCR：(Ba,Sr)TiO3(Tc≤120℃)彩電消磁，馬達啟動，過流、過熱保護高溫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時熱敏電阻器的電阻值；

BN——NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由測試結(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，它僅是一個經(jīng)驗公式。1負電阻溫度系數(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)學表達式為：如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標和橫坐標，則上式是一條斜率為BN

，通過點(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表示負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻—溫度特性，在實際應(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，成為信號處理系統(tǒng)能接受的信號類型結(jié)構(gòu)型傳感器通過機械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而控制被測信號物理型傳感器利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實現(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檢測氣體類別、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所有類別的氣體，因此，能實現(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氣體與半導(dǎo)體表面接觸時，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時產(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，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；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，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，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（化學吸附）。半導(dǎo)體氣敏傳感器的機理當半導(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，吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負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、碳氫化合物和醇類，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。半導(dǎo)體氣敏傳感器的機理

當氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。半導(dǎo)體氣敏傳感器的機理氣體接觸N型半導(dǎo)體時所產(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)體氣敏時間(響應(yīng)時間)一般不超過1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。問題：O2吸附到P型半導(dǎo)體上時，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)定且價格便宜。利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。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)時間和恢復(fù)時間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點，從而得到了廣泛的應(yīng)用。按其用途可分為以下幾種類型：氣體泄露報警、自動控制、自動測試等。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理。半導(dǎo)體色敏傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路圖對于用半導(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hυ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ＰＮ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。1.光電二極管的工作原理

當PN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IL，其方向由P端經(jīng)外接回路流向N端。這時，PN結(jié)中的載流子濃度保持平衡值。

當PN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。它相當于在PN結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是由光照形成，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，穿透深度較淺，而波長長的光子則能進入硅的較深區(qū)域。吸收系數(shù)隨波長的變化

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所示。圖中xj即表示結(jié)深。淺的PN結(jié)有較好的藍紫光靈敏度，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)。當有入射光照射時，P＋、N、P三個區(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。2.