（光学专业论文）锑化铟磁阻型光电传感器的部分特性及其微观机理.pdf

华南师范大学硕士学位论文 摘要 摘要 传感器是一种测量装置，它能感受或响应规定的被测量，并按照一定规律转 换成可用信号输出，以满足信息的转换、处理、存储、记录、显示和控制等要求。 磁传感器是传感器大家族中的一个重要分支。通过磁场的无接触特性，对非电量 的测量是磁传感器应用的一个重要方面，本文所研究的锑化铟磁阻型光电传感器 即是针对于发光物体的光脉冲信号进行商精度无接触测量的一类传感器，它可以 把光脉冲信号转换成电脉冲信号，供二次仪表使用。 本文首先介绍了如曲磁敏效应的基本原理，在此基础上对如曲磁阻型光电 传感器的工作原理进行了分析。设计了性能良好的信号处理电路( 包括锑化铟磁 阻三端输出型信号采集电路、阻容耦合型交流滤波放大电路和稳压电源电路三个 部分) 。对传感器的部分特性及微观机理做了较为详细的分析：l 、锑化铟磁阻由 于光照而产生的非平衡载流子在发生表面复合时的平均分布为( 卸) ：厅，经研 究，为了使锑化铟磁阻型光电传感器达到好的测量效果，应选用反射系数较小、 载流子寿命较长、厚度较小的锑化铟磁阻材料；此光电传感器对波长小于或等于 6 8 8 8 n m 的红外光信号比其他波段的光信号有更好的测量效果。2 、在外加电场的 影响下，每一个光脉冲结束的瞬间就对应着一批准备沿电场方向运动的漂移速度 为，蚓、以吲非平衡载流子的产生。在实验中，随着光脉冲一个接一个的进行， 非平衡载流予一批又一批的产生。3 、解释了因磁场的存在，输出电压比没有磁 场时增大几倍的原因；分析了在光脉冲频率不变的条件下，输出电压随磁场磁感 应强度的变化走势基本呈一二次曲线状分布的现象。4 、分析了在磁场的磁感应 强度保持不变的条件下，输出电压随光脉冲频率的变化有一极大值出现的现象。 5 、在制作锑化铟磁阻型光电传感器时，应该恰当选择传感器中的元件，使得磁 场的磁感应强度值等于传感器所能适应的磁感应强度的最佳取值；并且使得传感 器自身所能适应的最佳频率值与外界被测量光信号的脉冲频率相匹配，以达到对 待测光脉冲信号取得良好的测量效果的目的。 关键词：锑化铟( 1 n s b ) 磁敏电阻光电传感器微观机理 兰堕塑望查堂雯主兰垂堡兰i 堡 a b s t r a c t a sam e a s u r e m e n td c v i c e i h es e n s o rc a nf e e l 、r e s p o n da n dt r a n s f o r mt h em e a s u r e d t h i n gw h i c h w a s p r o v i d e di n t ot h eu s e f u lo u t p u t t e ds i g n a ls oa st oc h a n g e 、p r o c e s s 、 m e m o r y 、r e c o r d 、d i s p l a ya n d c o n t r o lt h e i n f o r m a t i o n m a g n e t i cs e n s o r s a r ea n i m p o r t a n tb r a n c h t h a tc a nb eu s e dt od e t e c tt h e n o n e l e c t r o n i c a l l yc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u 出t h em a g n e t i cf i e l d t h e i 托s b m a g n e t o r e s i s t a n c ep h o t o e l e c t r i cs e n s o ri nt h i s p a p e ri sd e s i g n e df o rt h ef i n em e a s u r e m e n t o ft h ep h o t o s i g n a lo ft h el u m i n a n td e v i c e t h r o u g ht h es e n s o r t h ep h o t o p u l s es i g n a li sc h a n g e dt oe l e c t r i cp u l s ew h i c hc a n p r o v i d e s t oo t h e rs e c o n di n s t r u m e n t s f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo f t h ei n s b m a g n e t o s e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt h e na n a l y z e si nd e t a i la b o u tt h er u n n i n g p r i n c i p l eo f t h ei n s bm a g n e t o r e s i s t a n c e p h o t o e l e c t r i c s e n s o ld e s i g nt h eg o o d w o r k i n g s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i to f t h es e n s o r 】 i n c l u d i n gt h es i g n a lc o l l e c t i n gc i r c u i to ft h r e eo u t p u tp o l a r s 、t h ec o u p l i n g c i r c u i t u s i n gc a p a c i t a n c ea n dr e s i s t a n c e 、t h ea l t e r n a t i n ga m p l i f yp r o c e s s i n gc i r c u i ta n dt h e s t a b i l i z a t i o n v o l t a g es u p p l yc i r c u i t a n a l y z ep a r t i a lc h a r a c t e ra n dm i c r o c o s m i c m a c h a n i s mo ft h el n s b m a g n e t o r e s i s t a n c ep h o t o e l e c t r i cs e n s o r , w h i c hi n d i c a t e d t h a t ：l 、t h ea v e r a g ed i s t r i b u t i o no ft h e n o n e q u i l i b r i u m c a r r i e r sw h i c ha r e a p p e a ri nt h e i n s bm a g n e t o r e s i s t a n c ep h o t o e l e c t r i cs e n s o rb e c a u s eo ft h e l i g h ti s ( 肇) ；，f ，b y s t u d i n gw h i c hw e c a nk n o wt h a tt h el e s sr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t 、t h em o r e p e r m a n c r t t c a r r i e r s l i f ea n dt h et h i n n e rt h i c k n e s so ft h ei n s bm a g n e t o r e s i s t a n c es h o u l db e s e l e c t e dt om a k et h es e n s o rh a v eb e t t e rm e a s u r e m e n t ；a n dt h i sk i n do fs e n s o rc a n g a i n b e t t e rr e s u l tw h e n m e a s u r i n g t h e p h o t o - p u l s es i g n a lt h a tt h ew a v e l e n g t hi se q u a lt oo r l e s so ft h e6 8 8 8 n mt h a no t h e rw a v e l e n g t h s i g n a l s 2 、u n d e rt h ee f f e c to ft h ee l e c t r i c f i e l d ，ag r o u po fn o n e x i u i l i b r i u nc a n i e r st h a tt h em o v i n gs p e e di s 郎i e i o r p 吲a n d t h e m o v i n gd i r e c t i o n i s a l o n gt h e d i r e c t i o no ft h ee l e c t i cf i e l d a p p e a rw h e na p h o t o p u l s e f i n i s h e s i l lt h ec o u r s eo ft h e e x p e r i m e n t , g r o u p so ft h en o n e q u i l i b r i u n c a r r i e r sa p p e a rw i t ht h ec o n t i n u o u sp h o t o - p u l s e c a r r y i n g 3 、e x p l a i nt h e r e a s o nw h y t h eo u t p u t e dv o h a g ei n c r e a s e ss e v e r a lt i m e sw i t ht h em a g n e tf i e l dt h a nw i t h o u tt h e m a g n e tf i e l d ；a n da n a l y z et h ep h e n o m e n o nt h a tt h ec h a n g i n gt r e n do ft h eo u t p u t t e d v o l t a g e i s s q u a r e a l l v es h a p ew i t h t h e c h a n g e o ft h e m a g n e t f i e l dw h e nt h e 华南师范大学硕士学位论文 摘要 p h o t o p u t s ef r e q u e n c yf i x e d 4 、a n a l y z et h ep h e n o m e n o n t h a tab i g g e s tf i g u r eo ft h e o u t p u t t e dv o l t a g ew i l la p p e a rw i t ht h ec h a n g eo ft h ep h o t o p u l s ef r e q u e n c y w h e nt h e m a g n e t f i e l df i x e d 5 、t h ec o m p o n e n t i nt h es e n s o rs h o u l db ea p p r o p r i a t e l ys e l e c t e dt o m a k et h em a g n e tf i e l de q u a lt ot h eb e s tm a g n e tf i e l dt h a tt h es e n s o rc a na d a p t e da n d m a k et h eb e s tp h o t o - p u l s ef r e q u e n c ya d a p t e df o rt h es e n s o re q u a lt ot h ep h o t o p u l s e s i g n a l t ob em e a s u r e ds oa st o g a i nt h ea i mo fe x c e l l e n tm e a s u r i n ge f f e c tw h e n m a k i n g t h ei n s b m a g n e t o r e s i s t a n c ep h o t o e l e c t r i c s e b s o l k e y w o r d s ：i n d i u m - a n t i m o n i d e ，m a g n e t o s e n s i t i v er e s i s t a n c e ，p h o t o e l e c t r i cs e n s o r m i c r o c o s m i cm a c h a n i s m 华南师范大学硕士学位论文 第一章引言 产业革命以来，发明了各种各样的机器。人们为了改善机器的性能和提高机 器的自动化程度，需要实时的测量反映机器工作状态的信息，并利用这些信息去 控制机器使之处于最佳的工作状态。所以，一种被称为传感器的装置就逐渐应用 了。 近些年来，随着科学技术的飞速发展，特别是微电子加工技术，微计算机技 术，信息处理技术以及材料技术的发展，使得综合着各种先进技术的传感器进入 了一个前所未有的飞速发展阶段。按传感器的工作原理不同，大致可分为物理型、 化学型、生物型三类。在此，我们着重介绍物理型传感器。物理型传感器是利用 某些变换元件的物理性质以及某些功能材料的特殊性能制成的传感器。其中，利 用半导体材料某些特殊性质而制成的多种传感器，如利用半导体材料的压阻效 应、光电效应、霍尔效应制成的压敏、光敏和磁敏传感器等得到了广泛应用。“3 在物理传感器中又可分为物性型传感器和结构型传感器。在此，我们着重考 虑物性型传感器。所谓物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性 及效应把被测量直接转换成电量的传感器。物性型传感器的基础效应如表l 一1 所示。 磁传感器是传感器家族中的熏要成员之一，其应用领域较为广泛。检测磁场 的大小和方向是磁传感器最直接的应用，而计算机技术的发展则拓展了其应用领 域。它们可以通过检测磁场的变化，由转换电路将各种物理量的变化变换为电信 号，完成成千上万的分析与控制功能。事实上，磁传感器的应用已渗透到国民经 济、国防建设和人们日常生活的各个领域。1 ，随着信息化社会的到来，其地位和 作用将更加突出： 生产：工序管理( 测量、检查) ：自动化、节能；安全保证；设备诊断； 公害监测；防灾。 资源与能源：矿产勘查：能源利用。 汽车：确保安全；提高功能；限制公害；节能。 交通运输：道路管理；交通管制：防冲撞。 农林水产：栽培管理，海水温度观测( 卫星) ；鱼群探测：人工养殖；防 华南师范戈学硕士学住论文第一章引言 自然灾害；鲜活保存。 表l 1 物性型传感器的基础效应 捡棚 输出 对敛 娄型所科用的擅应 信号 侍璐器盛敏武元蚌举别主要材抖 可见抱c d $ ，c d 5 e ，一s i ：h 光电导效应电阻 光铰电阻 红扑：p b s ，i n s b 盘 光敏二覆臂，光敏三楹臂、光皂随s i ，g ，抽s b ( 虹井) 光 于 光生性特效立电娩电压 型 冉待燕光敏= 辘青 p t s j 光电子发射效矗电掘光电臂、光电掊坩管 a f - 0 - 0 ，c 卜轴 妁寒舞逊投鹰电压虹外掩靠署越导体 热型 燕释毫鼓应电劳赶外传赢墨虹蚪摄囊臂9 a t i o ， 电阻应空投应 盘属庳室片、半哥律盥麦片康钢，卡玛告盘s i 电咀式电阻 压旺效应硅扦式扩教型压力恃蠹墨 s i ) g e ，g i n s b 一 匿电簸墩电压压电元件 石英，压电穆甏，p v d f 机 压电式 正、逆压电效应凝丰 蠢寰面披传摩署石英，z n o 十8 i 械 臣藏式 压磁蕴应 蠕抗 螽璧竞件；力瓿矩转矩倚 裱嚣 砖锕片，铁氧作，敏其台盘 量 每尔元件；力、压力、警传臻薛s i ，g 。，g - ，l n i 越电式 硅艰鼓盅电压 光电缋应 备糕赛黪拉劳、擐乱 ( 参见光侍毒善) 光电式 光辱崔鼓应 折射章压力、摄霉 侍赢嚣 童强克箍窟电压 强薏电儡 p t f - p t r n h i c u n i c 。n i c 。 然电式钟冀夫递麓应强鼻电压 绝对量度计扭导体 温 热电绶庙= 电荷鞋摄俸矗教元挣 】；2 ；袈苗v f ”t g s 度 压电盘 正、逆压电敢应耘奉 声寰面蘸徂度传赢器石羹 热重 热破箍应电蝎 l q t r a t t 虹井撵捌器热敏铵氧辫，盘橱 霭尔元件s j ，e ，0 “ l 叠承效虚电压 一 暑尔i c 、m o b 誓永l c s i 盛电式 电阻 直阻元件n i - c o 台盒，i r i s h ，i - 礅陋效应 磁 电捷 p i t = 摄昔、盛载晶体管 0 的寡麦最麓宝电挂 诅导量干千酋羁件( s q u ! b )p h ，s n 。m ，s n ，n b t i 碱光挂拉第翦应 y i g ，e u o ，m a b i 光皂式 黄振先 城光克水技应 面僖转 走纤伸酶晷 m n b i 光电式 放射鳎教应 老强 老纤射拽f 盛墨加牡石黄 放 射 p 且络光生侠特效癌 龟脉冲 馏黪嚣 s b g e 鲺 基于垄誊l i 的g s i ，h g i i 冉莲特效盘 龟掩 搏特基= 鬣营 u s i 2 华南师范文学硕士学位论丈 海洋、气象：无人观测( 无线电探空仪、堤坝内应力自动监测) ：卫星观 测；遥测( 农作物长势) ；污染( 海水、大气) 探测。 健康、医疗卫生：健康管理；食品管理；医疗系统( 动检测，诊断) 。 家庭、办公室：便利、舒适、安全性报警；省力，节能。 磁传感器的应用领域如此广泛，其历史也颇为久远。古老的磁传感器已逐渐 被各种高性能磁性体为主要材料的新型传感器所替代。磁敏电阻作为一种高性能 磁性体，是磁电变换式元件，它是利用磁阻效应制成的。所谓磁阻效应，即是材 料的电阻值随外加电场的大小而变化的特性。早在1 8 8 3 年就发现了金属导体的 磁阻效应：1 9 5 1 年研究了强磁性薄膜的磁阻效应。五十年代，对族化合物的研 究，特别是发现了锑化铟( i n s b ) 和砷化铟( 1 n a s ) 等材料具有极高的迁移率， 进一步促进了磁敏电阻的开发。1 9 6 5 年，国际市场上出现了磁敏电阻。磁敏电 阻虽与霍尔元件一样均属于磁敏元件，能有效的进行多种物理量的检测。但磁敏 电阻结构简单，并且可以将多个元件集成在同一芯片上，使温度系数变得很小。 而且，磁敏电阻是两端型元件，与霍尔元件的四端型相比，使用更加方便。 “光电子学”这一术语的含义包括在光学波长范围内电磁辐射的产生、利用 和测定以及把电磁辐射转换成电信号。必须具备两个基本部分：作为发射器的辐 射源和作为接收器的光电变换器。能发生辐射、或者对紫外、红外和可见波段的 辐射敏感的器件，定义为“光电器件”。作为世界上最大的半导体制造厂，得克 萨斯仪器公司在早期就清楚地认识到光电半导体产品将会得到广泛的应用。这个 公司在光电子器件的研究、发展和制造中进行了开拓性的工作。早在1 9 5 9 年研 制出1 n 2 1 7 5 硅光电二极管。通过进一步发展，得克萨斯仪器公司还提供了大量 的光电器件，大约有1 2 5 种以上的标准产品。唧 迄今为止，光电器件在许多工业部门和日常生活的各个领域内都得到了应 用，例如：电力工程、数据处理、机器控制、热能工程、汽车工业、空间系统、 录音、视频录像、摄影、日用电子学、医学、远距离通信、环境保护、家用电器 等。 应用领域可以分为六类： 1 测量、监视、计算、控制和测试给定的光源； 2 具有非调制光辐射的光电器件； 华南师范大学硕士学住论文 3 具有调制光辐射的光电器件； 4 字母数字显示用光电器件； 5 图像记录或传输用光电器件； 6 图像再现用光电器件。 光电子学的领域及其应用是极其广泛和多方面的。利用光电子学理论制成的 光电传感器品种繁多，性能卓越，具有反应速度快，精度高、分辨力高、可靠性 好，体积小，重量轻、功耗低、便于集成、可实现非接触测量等优点，因而被广 泛应用于军事、宇航、通讯、检测与工业自动控制等各个领域中。 目前，国内外用于光电测量方面的传感器有光电导型光电传感器、光伏型光 电传感器、宽光束型光电传感器、多维位移型光电传感器、色标检测型光电传感 器、光电测微传感器、烟尘浊度连续监测型光电传感器、数字转速型光电传感器、 半导体磁阻型光电传感器等。由于它们具有反应速度快，精度高、分辨力高、可 靠性好，体积小，重量轻、功耗低、便于集成、可实现非接触测量等优点，因而 被广泛应用于军事、宇航、通讯、检测与工业自动控制等各个领域中。 华南师范大学信息光电子科技学院量子电子学研究所磁敏实验室研发出专 利产品“半导体磁阻薄膜磁头”，可用于锑化铟磁阻型光电传感器。3 中。利用霍 尔效应、磁阻效应和光电导效应制成的这种磁阻型光电传感器除了具有一般光电 传感器所具有的特点外，还具有灵敏度高，光谱范围宽，所用元件少，结构不太 复杂，易于制造等优点。 在已有的锑化铟磁阻型光电传感器。1 工作的基础上，本文从半导体物理学、 光电子学角度出发，辅以相关实验，着重从理论上探讨了这种半导体磁阻型光电 传感器的某些特性及其微观机理，以求对其性能做出进一步改进与完善。 4 华南师范大学硕士学位论文 第二章锑化铟半导体材料的光、电、磁性质 第二章锑化铟半导体材料的光、电、磁性质 锑化铟半导体是一种四配位非晶薄膜材料。它既具有磁敏电阻的性能，又具 有光敏电阻的性能。下面，我们对支持其充当此二重角色的物理效应分别做一下 简单介绍。 2 1 锑化铟磁敏电阻 由于霍尔效应和磁阻效应都是比较典型的电磁效应，所以，我们首先介绍这 两个效应，然后再介绍半导体锑化铟磁敏电阻。 2 1 1 半导体中的电磁效应【6 】 7 1 9 】【1 0 】【2 】 带电粒子在磁场中运动时，受到洛伦兹力的作用。对于n 型半导体，当不加 磁场时，电子电流密度为j ( 0 ) 。假设温度梯度为零，可以求得玻尔兹曼输运方 程的近似表达式为 ，。( 0 ) 一g e + q d v n ( 2 1 ) 式中 吒口= o 时的电导，吒= q z 。n ； e 电场强度； g 电子电荷； d 电子扩散系数； n 电子浓度； 以电子漂移迁移率。 当磁场不为零时，电子电流密度为 i ，。( b ) = j ( o ) 一f ：( j 。( 口) x 占) ( 2 2 ) 式中 卢：电子霍尔迁移率，肛：= y 。心 y 。散射因子，y ；2 ，2 l 两次碰撞之间的自由时间，其值与能带结构和散射机理有 关。 对于低掺杂n 型硅，在室温下r 约为1 1 5 。由式( 2 2 ) 可以得到 5 华南师范大学硕士学位论文 第二章锑化铟半导体材料的光、电、磁性质 “驴幽丛等器严盟剑 c n - s ， 上式表示电了在绝热系统下的电磁效应，它包含温度对载流子浓度、扩散和 迁移率的影响。如果载流子的浓度梯度可以忽略不计，载流予的漂移起主导作用， 式( 2 3 ) 则变为 j 。( b ) = 口。口【e + 肛：( b x e ) + ( 肛：) 2 ( b e ) b 】 ( 2 4 ) 其中 盯m 。丽( 3 n 当磁场与电场平行时，b x e ；0 ，则可以得到：j 。p ) = 盯。e = j 。( 0 ) ，在各 向同性的半导体中，不存在纵向电磁效应。当磁场与电场垂直时，b - e ：0 ，则 有 j 。( b ) 笃仃柚【e + f ：( b e ) 】 ( 2 - 5 ) 上式表示忽略载流于扩散情况下的横向电磁效b = ( 0 ，0 ，口) e = 但。，e 。，0 ) 和i ，。俾) 。p 。，。，o ) ，式( 2 5 ) 可以写成 j j “；盯。5 苎，- i a 。 n b 。e 。y2(2-6) i j 。一盯( t + ：b ey ) 2 1 1 1 霍尔效应1 2 1 1 7 】f 8 l 【9 1 【1 1 把通以电流的半导体放在均匀磁场中，在垂直于电场和磁场的方向产生横向 电场，在笛卡尔坐标系下，沿x 方向通以电流l ( 安培) ，沿z 方向施加磁场吃， 则在y 方向上将出现横向电场e 。，这种现象称为霍尔效应，所产生的电场称为 霍尔电场。 匕一留 图2 - 1 霍尔效应示意图 f i g 2 - 1t h e p r i n c i p l eo f h a l le f f e c t 6 华南师范大学硕士学住论文 第二章锑化船半导体材料的光、电、磁性质 q e 。一q v ，b ：= o e 。= 一：船，= r h j 。b 式中r 。一霍尔系数 r 。：一丝；一益 霍尔电场使等电势线旋转一个角度0 。，此角称为霍尔角 t a n ”善叫耻叩。口 对于厚度为t 的长方形样品，当电流为i 时，产生的霍尔电压为 ( 2 - 7 ) ( 28 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) 式中 如霍尔器件的灵敏度。t i n s b 材料的厚度。 f 输入电流。 由上式看出，若要提高霍尔器件的灵敏度，应减小载流子浓度。由于半导体 中的载流子浓度比金属小，所以半导体更适宜制作霍尔器件。 2 1 1 2 磁阻效应 6 1 1 0 l 【1 1 1 1 9 1 0 2 1 把通以电流的半导体放在均匀磁场中，运动的载流子受到洛伦兹力的作用而 发生偏转，可以根据右手定理判断载流子偏转方向( 伸开手掌，让四指指向电流 方向，磁力线穿过手心，则大拇指的方向即为洛伦兹力方向) ，使载流子呈弧形 运动轨迹。于是散射枫率增大，迁移率下降，电阻率增大，这种现象称为半导体 的磁阻效应。假设霍尔电场为零，n 型半导体为短而粗的样品，电极由两端面引 出，根据式( 1 - - 6 ) 得到载流子的偏转为 ， 孚a 肛= t a n o 日 ( 2 一- 3 ) j 雕 由于偏转使载流子的漂移轨迹增长，产生几何磁阻效应，可以用下式表示： 必：( p ：b ) ： p 。 7 ( 2 一j 4 ) 馏 蹦 量叫 i = 膻一 k 一， 也， 堕， r 一 = i 玎 ，h s 华南师范大学硕士学住论文 第二章锑化铟牛导体材料的光、电、磁性质 式中p 。不加磁场时的电阻率； p 。加磁场时的电阻率。 对于硅，这种磁阻效应很小。当磁感应强度为1 特斯拉时，p 。一1 0 2 p 。 对于锑化铟，磁阻效应很强，当磁感应强度为1 8 r o t ( 毫特斯拉) 时，p 。一1 0 2 p 。 因此，锑化铟更适宜制作磁敏电阻。 对于p 型半导体，霍尔系数为 v = 生 印 其中 y 。丝 式中 p ，空穴漂移迁移率； p ；空穴霍尔迁移率。 ( 2 一1 5 ) 在低掺杂情况，室温下测得y ，- 0 7 。霍尔角为 t a n 0 h = 一；口 ( 2 1 6 ) 磁阻效应可用下式表示 盟= l + ( 肛；口) 2 p e 1 两种载流子同时存在时，霍尔系数为 小一尝铸并 综上所述，磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应：l 6 l n ” ( 1 ) 物理磁阻效应 我们在此只涉及磁场与外加电场垂直时的所谓横向磁阻效应。 在弱磁场时：( p 一n ) p 。与b 2 成正比； 在强磁场时：( ，9 日一以) p 与b 成正比； 8 ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 华南师范大学硕士学位论丈 第二章锑化铟半导体村料的光、电、磁性质 在磁场无限大时，电阻率p 趋于饱和。 在制造，h 肋磁敏电阻器件时，通常都利用第二种状态。i n s b 的物理磁阻效应 可以表示为： ( pb j o8 ) 。8 = p p8 = o ? 2 7 5 # ： ；0 2 - 1 9 、 式中：口是磁感应强度，p 。和p 。分别为有磁场和无磁场时i n s b 磁敏电阻 的电阻率：f 。为载流子的迁移率。 根据电阻值与电阻率的换算关系胆p 店，上式变为： ar r 亍：o ，2 7 5 # ：8 l 2 - 2 0 、 式中：占是磁感应强度，尼和r 。分别为有磁场和无磁场时i n s b 磁敏电阻的电 阻值。 ( 2 ) 几何磁阻效应： 在相同磁场作用下，因i n s b 半导体晶片几何形状的不同，电阻值产生 不同变化的现象称为几何磁阻效应。图2 2 表示的是几何磁阻效应的实验结 果1 1 8 | ，在制造i n s b 磁敏电阻时一般将几何形状设计为图2 2 中的第2 种形 式。 p , w r , o 、 冀o ：j l 席崎时_ 、 ： - w w 右 4 54 4 2 1l23 5 r ：p a r , 。 b 图2 - 2 几何磁阻效应原理 f 追2 - 2 t h e p r i n c i p l eo fg e o g r a p h ym a g n e t o s e n s i t i v e 2 1 2 锑化铟磁敏电阻及其应用 1 2 1 t ”l 【“】 磁敏电阻器是种磁电转换元件，它是根据霍尔效应和磁阻效应的原理制成 的。这种元件随着磁场的增加，电阻值增加很明显，电流偏转的霍尔角也很大， 主要是由材料迁移率决定豹。因此，必须选用电子迁移率高的锑化铟之类的材料。 锑化铟( i n s b ) 是i v 族化合物半导体，它的禁带宽，电子迁移率高。i n s b 的分子量为2 3 6 5 7 ，熔点5 2 5 c ，密度5 7 7 5 1 9 c m 3 ，导热率0 1 8 w c m k ，热 9 兰鱼翌苎苎兰竺圭兰竺兰圭 釜三兰堑竺塑兰竺翌堑竺兰二! 二兰! 兰生 胀系数5 0 4 p p m , k ，介电常数t 7 7 。室温下禁带宽度为0 1 8 e v ，本征载流子浓度 约为1 1 1 0 6 c m3 尸。i n s b 的晶体结构为闪锌矿，品格常数0 6 4 7 9 n m 。它的电 子有效质量约为0 ，t 3 n k , ( m 。为电子质量) 。室温下质量良好的n 型 n s b 的电子迁 移率可高达7 8 0 0 0 c m 2 v s ，它与温度的关系为： 肛。= 7 x 1 0 8 t 。6 ( c m 2i v s ) i n s b 的空穴有效质量为0 6 i i l 0 ，其迁移率约为7 5 0 c m 2 v s 。 空穴迁移率与温度 的关系为 p 。= 1 i x l 0 8 t “( c m 2 v - 5 ) 与其它半导体材料相比，具有较高的电子迁移率( 见表2 一1 ) 【。因此，它 不但适合制造霍尔器件和传感器，而且适合于制造磁敏电阻和传感器。利用这种 材料不仅可以制造像硅、砷化镓那样的磁敏霍尔器件，而且还可以制造其它半导 体材料无法制造的磁敏器件。由于l n s b 材料的这种特殊性，以及磁敏传感器是 以磁场为媒介的非接触型传感器，因而它具有使用不接触、寿命长、无压力、无 火花、无嗓声、可靠性高、无动噪声、体积小、重量轻及工艺简便等优点。广泛 应用于各种自动化系统中，在国内外受到高度重视。 表2 - 1 各种半导体材料的特性比较“1 t a b l e2 - 1t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts e m c o n d u c t o rm a t e r i a l 【1 4 】 材料禁带宽度电阻率( q - 硎)电子迁移率霍尔系数 随( e v ) i * ( c m 2 v t 鼬r h ( c m 3 c ) n g e 0 6 61 03 5 0 04 2 5 0 n s t 1 1 0 71 51 5 0 02 2 5 0 n 曲o 1 70 0 0 56 0 0 0 03 8 0 i n a s o 3 70 0 0 3 52 5 0 0 01 1 5 i n , 4 s po 6 3 0 0 61 0 5 0 08 5 0 g a a s1 4 7o 7 88 5 0 06 2 5 0 s il 1 21 9 0 04 2 5 从以上分析看出，要制造出高灵敏度磁敏电阻，在材料方面应选用具有高电子迁 移率z 。的半导体材料，在几何结构方面要设计制造短而宽的几何结构。 半导体材料中，i n s b 的电子迁移率。最大，在室温下大约为7 5 x 1 0 华南师范大学硕士学位论文 第二章锑化铟半导体材料的光、电、磁性质 1 0 c m z v s ，为硅材料的5 0 倍左右。在几何形状方面都是在较长的i n s b 晶片上 沉淀许多等宽和等问隔的金属短路条，形成由许多短而宽的微小型磁敏电阻串连 组成的磁敏电阻元件。图( 2 - , 3 ) 所示的两种结构就是一般常用的i n s b 磁敏电阻 元件f f j j l a 可结构，它们分别组成两端型磁阻和三端型磁阻。 ( a ) 科塌型( 兰镯美分型 图2 - 3 常用i n s b 磁敏电阻的外形结构 f i g2 - 3t h ec o n s t r u c t i o n o fi i l s bm a g n e t o s e n s i t i v et e s i s l a n c e 2 2 锑化铟光敏电阻 光敏电阻工作的主要原理是光电导效应。在此，我们先介绍光电导效应，然 后介绍锑化铟光敏电阻。 2 2 1 半导体光电导效应【”1 由光照引起的半导体电导率增加的现象称为光电导。本征吸收引起的光电导 称为本征光电导。现讨论均匀半导体材料的光电导效应。 无光照时，半导体的暗电导率为 6 0 譬q k 。芦。+ p 。p ，) q 为电子电量，n o ，p o 为平衡载流子浓度。 设光注入的非平衡载流子浓度分别为a n 和卸，则附加光电导率为 a 6 一口【n 肛。+ 印p ，) 则 竺：鱼垒坦 6 0b n o + p o 式中，6 = 心卢。 2 2 2 锑化铟光敏电阻 4 1 光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃迁到导带时， 华南师范大学硕士学位论文第二章锑化铟半导体材料的光，电，磁性质 导带中的电子和价带中的空穴参与导电，这种本征光电导效应可用来检测可见光 和近红外辐射。 锑化铟光敏电阻的光激发是本征型的。它是相应于大气第二个红外透过窗 口波长范围的主要光敏电阻。常温f 氏波限为7 3 p m 左右；冷却到7 7 k 时，氏玻 限为5 4 p m ( 主要是材料禁带宽度变窄) 。通常工作于低温状态，也能做成多元 列阵。 本章小结 本章主要介绍半导体材料中的磁敏效应和光电导效应的基础理论；分析了锑 化铟磁敏电阻和锑化铟光敏电阻的某些特性。 华南师范大学硕士学位论文 第三章几种光电侍感器工作原理的简要介绍 第三章几种光电传感器工作原理的简要介绍 利用传感技术制成的各类传感器件基本上都是测量装置，它们能感受或响应 规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出，以满足信息的转换、处理、 存储、记录、显示和控制等要求。其中，光电式传感器是以光电效应为基础，将 光信号转换成电信号的传感器。 目前国内外用于光电测量方面的传感器有光电导型光电传感器、光伏型光电传感 器、宽光束型光电传感器、多维位移型光电传感器、色标检测型光电传感器、光 电测微传感器、烟尘浊度连续监测型光电传感器、数字转速型光电传感器、半导 体磁阻型光电传感器等。由于它们具有反应速度快，精度高、分辨力高、可靠性 好，体积小，重量轻、功耗低、便于集成、可实现非接触测量等优点，因而被广 泛应用于军事、宇航、通讯、检测与工业自动控制等各个领域中。 3 1 理论上的两种光电传感器 3 1 1 光电导型光电传感器【1 6 1 大多数半导体和绝缘材料都具有光电导效应，其中以半导体尤为显著。光敏 电阻就属于这类传感器，如图3 - - 1 所示。它具有伏安特性良好，光谱范围宽， 对光信号响应时间短，频率特性适中等优点。另外，由于它本身性能受温度影响 大，参数离散性较大，不宜作为光照线性测量元件，所以常用作开关式光电信号 的传感器件。 电挺 ( a ) 光敏电阻的工作缀理图( b ) 硫化镉光敏电阻的结构( c ) 光敏电阻的电极图案 图3 1 光敏电阻的原理及结构图 f i g3 - 1t h ep r i n c i p l ea n dc o n s t r u c t i o no fp h o t o c o n d u c t i v er e s i s t a n c e 华南师范天学硕士学位论文第三章几种光电传感嚣工作原理的简要夼绍 3 。1 2 光伏型光电传感器 “l 这种器件是根据光生伏特效应制成。具有光照特性好，光谱范围宽，频率特 性适中等优点，其缺点是受温度影响大，因此应采取温度补偿措施，以保证温度 恒定。这类器件主要包括光电池、光敏二极管、光敏三极管等。如图3 2 所示。 | 光照 轧旺工丑_ ( a ) 光电池符号及边界电路( b ) 光敏二极管的结构简化模型及基本线路 母锢凸，圃 s ( c ) n p n 型光敏三极管的结构简化模( d ) p i n 光敏二极管 型及基本线路 ( e ) 肖特基势垒光敏二极管 ( f ) 具有保护环的雪崩光敏二极管的机构 图3 - - 2 几种光伏型光电传感器的结构图 f i g3 - 2t h ec o n s t r u c t i o no fs e v e r a lk i n d so fp h o t o e l e c t r i cs e d s o ro fp h o o r e i t a i c e f f e c t 3 2 应用上的几种光电传感器 3 2 1 宽光束型光电传感器【”】 这种传感器由光学系统和信号处理电路组成，如图3 - - 3 所示。可用来实现 高速运动带才边界或中心位置的连续检测。该传感器具有很大的测量范围和较好 1 4 华南师范大学硕士学位论文 第三章几种光电传感器工作原理的简要介绍 的灵敏度。目前国内外对带才边界位置的检测大多采用c c d 图像传感器，这种传 感器的测量精度高( 可达微米级) ，测量范围大，且有较高的响应速度。但其价 格昂贵，当被测对象无自发光时，也需要较高质量的光源。而这种宽光束光电传 感器在解决这类技术问题的同时，降低了技术成本。 ( a )工作原理图 ( b )传感器电路图 1 日光灯管2 物镜3 光电池4 参考信号 变换电路5 污染报警电路6 反相器7 加 法器8 除法器9 测量信号变换电路1 0 光 电池1 1 柱面镜1 2 带材 图3 3 宽光束型光电传感器原理及电路 f 培3 - 3 t h e p r i n d p l ea n de l e c t r i c - c i r c u i t o f p h o t o e l e c t r i c n s o r o f w i d e - l i g h t b e a m 3 2 2 多维位移型光电传感器0 8 该传感器由半导体激光器、光线转换器、投影屏、光学系统、光电探测器件 及处理电路和计算机数据处理系统组成。在建立三维平动和三维转动的数学模型 的理论基础上，该传感器可用于物体多维位移测量。如图3 - - 4 所示。 竺圭翌垄垄兰堑主兰竺垄圭 堑三兰些塑茎坐堑曼垒兰三尘堡堡塑羔堕i ! ：! 塑 ，t ， i ，光线转换器与激光器2 光电探测器3 投影屏 图3 4 多维位移型光电传感器结构示意图 f i g3 - 4t h ec o n s t r u c t i v es c h e m a t i cd i a g r a mo fp h o t o e l e c t r i cs e n s o ro fm a n y d i m e n s i o n a ld i s p l a c e m e n t 3 2 3 色标检测型光电传感器f ”1 这种传感器在包装、印刷、纺织、造纸等行业的自控系统中能够辨别颜色、 检测色标，以实现辨色、定位、计数等控制功能。美国h o n e y w e l l 公司、德国 s i c k 公司、t r u c k 公司、日本o m r o n 公司和s u n x 公司等都成功开发了这方面的 光电传感器，并进入了国际市场，而国内的此项技术还不够成熟，有待完善。如 图3 5 所示。 、 ， 。：i g l 一竣曩镱体 ( a ) 系统原理方框图 华南师范大学硕士学位论文 第三章几种光电传感器3 - 作原理的简要介绍 c ， ( b ) 光学系统( c ) 电路图 1 主物镜2 半反半透板3 光阑4 ，成 像镜5 象面镜6 光电接受器7 聚光 镜8 发光管 图3 5 色标检测型光电传感器原理及电路图 f i g3 - 5t h ep r i n c i p l ea n de l e c t r i cc i r c u i to fc o l o r d e m a r c a t e dm e a s u r e 3 2 4 光电测微传感器f “1 光电测微计用来检测加工零件的尺寸，如图3 6 所示。光电测微计的原理 是从光源3 发出的光束经过调制盘4 再穿过被测零件与样板环之间的间隙射至器 件5 ，小孔的面积是由被检测的尺寸所决定的，当被检测零件尺寸改变时，其面 积发生变化，从而使射到