敏感材料与传感器教学课件PPT半导体材料.ppt

第四章半导体材料 半导体材料的分类半导体材料的基础物性半导体的压阻效应半导体敏感元件 什么是半导体按不同的标准 有不同的分类方式 按固体的导电能力区分 可以区分为导体 半导体和绝缘体表1 1导体 半导体和绝缘体的电阻率范围 温度升高使半导体导电能力增强 电阻率下降 ntc 如室温附近的纯硅 si 温度每增加8 电阻率相应地降低50 左右微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 掺杂效应 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个 族杂质 比如磷 为例 这时硅的纯度仍高达99 9999 但电阻率在室温下却由大约214 000 cm降至0 2 cm以下适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 光电效应 如在绝缘衬底上制备的硫化镉 cds 薄膜 无光照时的暗电阻为几十m 当受光照后电阻值可以下降为几十k 此外 半导体的导电能力还随电场 磁场等的作用而改变 霍尔效应等 此外 半导体还具有一些重要特性 主要包括 1 半导体材料的分类 半导体性质的元素或化合物等材料由于测量对象导致半导体的性质发生较大的变化被广泛用做敏感材料 这些现象虽然介于各种物理 化学现象之间 但无论如何最终都可转换为电信号 对采用半导体材料的敏感元件若按测量对象进行分类 主要有光 温度 磁 形变 湿度 气体 生物等类敏感元件 多数正利用半导体微细加工技术向集成化 多功能化方向发展 5 物理与光电工程学院 半导体物理发展进程 半导体物理的发展序幕晶态半导体物理 原子排列从有序向无序的转变非晶态半导体物理 材料性质从体内向表面的转变半导体表面物理 能带特征从自然向人工的转变半导体超晶格物理 体系结构从三维向零维的转变纳米半导体物理 元素组成从原子向分子的转变有机半导体物理 1 半导体材料的分类 用于敏感元件的半导体材料多是无机物 但是 有机物中也有显示半导体性质的 且可望作为未来的敏感材料 除典型的单一元素半导体以外 还有二元化合物半导体 还有多元化合物 这就有可能实现半导体的物性控制 从原子排列状态来区分半导体 则可大致分为具有长程有序的晶体以及在短距离上具有与晶体相同的规则性但在长距离上原子排列不具有规则性的非晶 1 半导体材料的分类 元素周期表中 a族与 a族间的元素与半导体的关系 1 半导体材料的分类 高纯度 无缺陷的元素半导体 杂质浓度小于10 9 在本征半导体中有意加入少量的杂质元素 以控制电导率 形成杂质半导体 元素半导体 1 半导体材料的分类 本征半导体广泛研究的元素是si ge和金刚石 金刚石可看作是碳元素半导体 它的性质是1952年由guster发现的 除了硅 锗 金刚石外 其余的半导体元素一般不单独使用 因为本征半导体单位体积内载流子数目比较少 需要在高温下工作电导率才大 故应用不多 1 半导体材料的分类 利用将杂质元素掺入纯元素中 把电子从杂质能级 带 激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上 从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发 这种半导体叫杂质半导体 杂质半导体本身也存在本征激发 一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很低 如十亿分之一就可达到目的 1 半导体材料的分类 掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子 又称施主型半导体 掺杂原子的价电子少于纯元素的价电子 又称受主型半导体 1 半导体材料的分类 本征半导体 n型半导体 p型半导体 掺入五价元素p 磷 掺入三价元素b 硼 2 半导体的基础物性 1 能带当大量原子结合成晶体时由于相邻原子电子云相互交叠 对应于孤立原子中的每一能级都将分裂成有一定能量宽度的能带 2 带隙能带之间的区域 3 禁带带隙不存在电子的能级 4 价带对应价电子能级的能带 2 半导体的基础物性 5 空带价带上面的能带 6 导带最靠近价带的空带 7 满带价带被电子填满 2 半导体的基础物性 导体的能带中都有末被填满的价带 在外电场的作用下 电子可由价带跃迁到导带 从而形成电流 绝缘体的能带结构是满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开 在常温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带 因此其电导率很低 2 半导体的基础物性 半导体的导电机理 半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中 跃迁电子可在导带中自由运动 传导电子的负电荷 同时 在满价带中留下空穴 空穴带正电荷 在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷 因此 半导体的导电来源于电子和空穴 的运动 电子和空穴都是半导体中导电的载流子 2 半导体的基础物性 典型半导体的能带图 2 半导体的基础物性 决定电导 载流子密度 迁移率的机制 电导 若用电流密度j代替电流 用电场强度e代替电压 有 设电子电荷为e 传导电子密度 浓度 为ne 速度为ve 空穴密度为np 速度为vp 有 2 半导体的基础物性 由于 加恒定电场时的电流密度为 仅只存在电子或空穴时的运动方程可表示为 2 半导体的基础物性 上式右边的第二项为弛豫项 由正常解可导出 由于磁场中的电子受到以矢积表示的罗伦兹力的作用 所以电子的运动方程变为 b为磁通密度 若设电流方向为x方向 磁通密度方向为y方向 则因为在方向不可能流过恒定的电子电流 所以 上式的y分量为 2 半导体的基础物性 若样品长度为l 厚度为t 宽度为w 则霍尔电动势为 2 半导体的基础物性 电学性质的温度依赖关系 1 半导体中的电子迁移率的温度依赖性 硅 在高温侧迁移率下降是由于晶格振动产生的散射引起的 低温侧迁移率下降是杂质散射引起的 对于施主浓度高的样品迁移率整体变小 且很快移向低温区 2 n型半导体的传导电子密度的温度依赖关系高温侧 载流子密度以exp eg 2kt 的斜率成指数地剧增 而在低温侧 由施主杂质提供的传导电子随温度的增加而增加 中温区 不变 3 费米能级的温度依赖关系在低温下费米能级靠近施主能级 但在高温下移到带隙中央附近 且传导电子和价带空穴几乎以等密度激发 3 半导体的压阻效应 原理 半导体的物性来看 半导体的压力敏感元件是基于在应力的作用下半导体晶体的能带结构发生变化 从而改变载流子迁移率和载流子密度的 优点 从小型化 可靠性 高灵敏度和容易获得电信号等角度出发 利用半导体的压力敏感元件和位移敏感元件受到人们广泛注意 缺点 压阻效应型半导体压力敏感元件的缺点是特性随温度的变化大 压阻效应的解释 依据hermy关于半导体多能谷导带价带模型的公式 当力作用于硅晶体时 晶体的晶格发生形变 它使载流子产生一个能谷到另一个能谷的散射 载流的迁移率发生变化 扰动了纵向和横向的平均有效质量 使硅的电阻发生变化 这个变化随si单晶的取向不同而不同 即si的压阻效应与晶体取向有关 4 半导体敏感元件 4 1射线敏感元件4 2电场 磁场敏感元件4 3化学敏感元件 4 1射线敏感元件 半导体与射线相互作用产生电子 空穴对的过程 在 射线和 射线等带电粒子束的情况下为直接电离作用 而在x射线和 射线等电磁射线的情况下 主要是光电效应 康普顿效应和由于电子 空穴对的生成而产生的间接电离作用 产生一个电子 空穴对所需的射线的平均能量称为 值 它与半导体的禁带宽度之间的近似关系 2 8 0 5 b 5 0 4 1射线敏感元件 放射线能量分析装置框图 若射线粒子入射在半导体上 则产生数量为 除以粒子能量的电子 空穴对 电子 空穴对除被复合或俘获的以外 余下的都被敏感元件的电极收集 用前置放大器可对具有波高正比于收集电荷总量的脉冲进行交换 此脉冲经过主放大器后输入波高分析器 并记录下与波高相应的频率分布 4 1射线敏感元件 对x射线自动曝光控制的应用 以x射线照射时间的最佳化和降低射线量为目的 开发了使用多个敏感元件的x射线自动曝光控制装置 半导体敏感元件插在被测物体和x光片之间 检测对x光片的最佳射线量 并将遮断信号送到x射线发生装置上 敏感元件厚度不在x光片上产生敏感元件阴影 4 2 1电场敏感元件 利用fet测量电荷分布 4 2电场 磁场敏感元件 测量绝缘膜上的表面电位或电荷分布 方法 利用高输入阻抗fet的非接触法 原理 此方式不是直接测量表面电位或电荷 而是利用分布在表面的电荷产生的电场在探头上感应出电荷 最终对fet的栅极产生影响 缺点 实际进行这样的静电测量时 由于fet的特性漂移 系统的电荷增高或来自外部的静电感应噪声等的影响 进行高精度测量是相当困难的 所以 作为较稳定的方法常使用振动电容型敏感元件 发展的方向 开发出将fet电场敏感元件和静电屏蔽用振动板一体化的敏感元件等是发展的方向 4 2 1电场敏感元件 4 2 2磁场敏感元件 半导体磁场敏感元件可分为磁阻效应型 霍尔效应型和载流子偏转型三类 无论哪一种类型都是利用来自磁场的洛仑兹力对电子或空穴的作用 作为半导体 若优先考虑灵敏度则选择电子迁移率大的insb和inas 若要求温度稳定性好则选择禁带宽度大的gaas 若要求具有信号处理功能而做成集成电路时 则倾向于选择硅 4 2电场 磁场敏感元件 4 2 2 1磁阻效应型敏感元件 磁阻效应 磁阻元件是利用磁场一旦加在半导体上半导体的电阻就增加的磁阻效应做成的敏感元件 此元件有两个端子 在此元件中半导体电阻率增加的同时还包括电流分布随磁场而变 电流路径变长 电阻增加的形状效应 4 2电场 磁场敏感元件 在电阻率增加效应中 当磁场强度b不那么大时 电阻率的增加为 敏感元件的输入电阻rb可由下式求出 v为输入电压 i为输入电流 r0 0为没有磁场作用时的输入电阻和输入电阻率 gm为由形状效应引起的电阻增加率 4 2 2 1磁阻效应型敏感元件 4 2 2 2霍尔效应型敏感元件 这种敏感元件是利用霍尔效应将磁场强度变为电压的敏感元件 其特点是输出信号电压与磁场成正比 并可判定磁场的极性 利用磁场强度b 控制电流ic 霍尔系数rh 元件厚度d和形状效应系数fh 霍尔电压可由下式表示 4 2电场 磁场敏感元件 磁场的精密测量 4 2 2 2霍尔效应型敏感元件 测试原理 vh正比于磁场强度b和电流ic 而与厚度成反比 所以希望制成薄膜形状 rh与材料有关 是物质固有的常数 从而必须选择对于载流子种类 浓度 迁移率适当的半导体 虽然迁移率大好 但必须综合考虑温度特性 强度 加工性等 这随用途而异 材料体系 作为典型的磁敏材料 可使用insb inas gaas ge si等材料 磁场的精密测量可使用温度系数小的inasp 而利用si gaas可望实现集成化 4 2电场 磁场敏感元件 4 2 2 3载流子偏转型敏感元件 a b a 所示的情况是双极晶体管型敏感元件 由于磁场的作用使由发射极注入的电子发生偏转 从而在两个集电极端子 c1 c2 间产生不平衡输出 并以此为输出信号 而 b 也是利用由衬底注入的磁偏转作用 信号由集电极对和基极对 c1 c2 b1 b2 得到 4 3化学敏感元件 isfet敏感元件原理图 4 3 1isfet 离子敏场效应晶体管 基本结构 采用将栅绝缘膜上设有金属栅的fet直接浸入溶液的形式 原理 溶液中离子浓度的变化诱发溶液与栅绝缘膜间的界面电位变化 此变化最终导致了fet的沟道电导变化 4 3 1isfet 离子敏场效应晶体管 有叠层感应膜结构的isfet 利用介于多层感应膜中的物质产生的连锁的生化反应 从而以的形式检测难于直接检测的检测对象的敏感元件 因为温度是生化反应的重要参数 所以使加热用的扩散电阻区或探测温度用的二极管或晶体管靠近fet 并使之一体化 从而有可能达到高性能化 连锁的生化反应 4 3化学敏感元件 4 3 2共振微桥敏感元件 其结构为在硅衬底上用聚硅酮制成微桥 进而在其上制作高分子膜 微桥下面设置有为便于用静电功率激励桥的激励电极和检测电容性共振率的检测电极 若检测对象物质附着在高分子膜上 则由于质量增加 共振频率发生变化 这种变化可作为输出信号进行观测 4 3化学敏感元件 4 3 3半导体气相色谱法 半导体气体色层分离的基本结构 两相 固定相 流动相不同组分在固定相 沟道中的迁移率 中滞留的时间不同 色谱法 色谱法 一种分离技术由俄国植物学家tsweett创立原理使混合物中各组分在两相间进行分配 其中一相是不动的 固定相 另一相 流动相 携带混合物流过此固定相 与固定相发生作用 在同一推动力下 不同组分在固定相中滞留的时间不同 依次从固定相中流出 又称色层法 层析法 4 3 3半导体气相色谱法 基本结构 由于硅衬底和玻璃衬底重合 检测样品气体通过的柱型沟道由硅部分的沟道构成 工