第四章 半导体材料

1、第四章第四章 半导体材料半导体材料 1.半导体材料的分类半导体材料的分类 2.半导体材料的基础物性半导体材料的基础物性 3.半导体的压阻效应半导体的压阻效应 4.半导体敏感元件半导体敏感元件 Neither believe nor reject anything, because any other person has rejected of believed it. Heaven has given you a mind for judging truth and error, Use it. -Thomas Jefferson, 3rd American president v什么是半导

2、体什么是半导体 按不同的标准，有不同的分类方式。按不同的标准，有不同的分类方式。 按固体的按固体的导电能力导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体 表表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 材料材料导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 电阻率电阻率(cm) 10-310-3109109 常温下导电性能介于导体常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体与绝缘体(insulator)之间的材料之间的材料 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力(掺杂效应掺杂效应) 以纯硅中每以

3、纯硅中每100万个硅原子掺进一个万个硅原子掺进一个族杂质（如磷）为例，这时硅的纯度族杂质（如磷）为例，这时硅的纯度 仍高达仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约，但电阻率在室温下却由大约214,000cm降至降至0.2cm以下以下 4 半导体物理发展进程半导体物理发展进程 半导体物理的发展序幕半导体物理的发展序幕 晶态半导体物理晶态半导体物理 原子排列从有序向无序的转变原子排列从有序向无序的转变 非晶态半导体物理非晶态半导体物理 材料性质从体内向表面的转变材料性质从体内向表面的转变 半导体表面物理半导体表面物理 能带特征从自然向人工的转变能带特征从自然向人工的转变 半导体超晶格物理半

4、导体超晶格物理 体系结构从三维向零维的转变体系结构从三维向零维的转变 纳米半导体物理纳米半导体物理 元素组成从原子向分子的转变元素组成从原子向分子的转变 有机半导体物理有机半导体物理 晶体内部结构呈长程有晶体内部结构呈长程有 序的状态序的状态 硫系玻璃、非晶硅等。硫系玻璃、非晶硅等。 与晶态相比具有大量的与晶态相比具有大量的 缺陷。缺陷在禁带中引缺陷。缺陷在禁带中引 入局域能级，影响电入局域能级，影响电/ 光性质光性质 固体表面附近的几个原固体表面附近的几个原 子层内具有许多异于体子层内具有许多异于体 内的对称性质内的对称性质 两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长两种不同组元以几个

5、纳米到几十个纳米的薄层交替生长 并保持严格周期性的多层膜并保持严格周期性的多层膜 ，可制造微波器件，可制造微波器件 1. 半导体材料的分类半导体材料的分类 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。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。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，对采用半导体材料的敏感元件若按测量对象进行分类， 主要有主要

6、有光光、温度温度、磁磁、形变形变、湿度湿度、气体气体、生物生物等类等类 敏感元件。敏感元件。 多数正利用多数正利用半导体微细加工技术半导体微细加工技术向向集成化、多功能化集成化、多功能化 方向发展。方向发展。 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降（温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降（NTC） 如室温附近的纯硅如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加，温度每增加8，电阻率相应地降低，电阻率相应地降低50% 左右左右 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力适当波长的光照可以改变半导体的导电能力(光电效应光电效应) 如在绝缘衬底上制备的硫化镉如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的

7、暗电阻为几十薄膜，无光照时的暗电阻为几十M，当，当 受光照后电阻值可以下降为几十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、磁场等的作用而改此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改 变变(霍尔效应等霍尔效应等) 重要特性：重要特性： 温度传感器温度传感器 光电式传感器光电式传感器 电场电场/磁传感器磁传感器 1. 半导体材料的分类半导体材料的分类 用于敏感元件的半导体材料多是用于敏感元件的半导体材料多是无机物无机物，但是，但是，有机有机 物物中也有显示半导体性质的，且可望作为未来的敏感中也有显示半导体性质的，且可望作为未来的敏感 材料。材料。 除典型的单除典型的单一

8、元素半导体一元素半导体以外，还有以外，还有二元化合物半导二元化合物半导 体体，还有，还有多元化合物多元化合物，这就有可能实现半导体的物性，这就有可能实现半导体的物性 控制。控制。 从原子排列状态来区分半导体，则可大致分为具有长从原子排列状态来区分半导体，则可大致分为具有长 程有序的程有序的晶体晶体以及在短距离上具有与晶体相同的规则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性但在长距离上原子排列不具有规则性的非晶非晶 。 半导体固溶体半导体固溶体 1. 半导体材料的分类半导体材料的分类 II BIII AIV AV AVI A 5B6C7N8O 13Al14Si15

9、P16S 30Zn31Ga32Ge33As34Se 48Cd49In50Sn51Sb52Te 80Hg81Tl82Pb83Bi84Po 元素周期表中元素周期表中A族与族与A族间的元素与半导体的关系族间的元素与半导体的关系 元素半导体元素半导体/化合物半导体化合物半导体 1. 半导体材料的分类半导体材料的分类 元素半导体元素半导体 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体 高纯度、无缺陷的高纯度、无缺陷的 元素半导体。杂质浓度元素半导体。杂质浓度 小于小于10-9 在本征半导体中有意加入在本征半导体中有意加入 少量的杂质元素，以控制电导少量的杂质元素，以控制电导 率，形成杂质半导体。率，形成杂

10、质半导体。 v 元素半导体元素半导体 1. 半导体材料的分类半导体材料的分类 v 本征半导体广泛研究的元素是本征半导体广泛研究的元素是Si、Ge和金和金 刚石。刚石。金刚石金刚石可看作是碳元素半导体，除可看作是碳元素半导体，除 了了硅、锗、金刚石硅、锗、金刚石外，其余的半导体元素外，其余的半导体元素 一般不单独使用。一般不单独使用。 v 因为因为本征半导体本征半导体单位体积内载流子数目比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，较少，需要在高温下工作电导率才大，故故 应用不多应用不多。 1. 半导体材料的分类半导体材料的分类 v利用将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂利用将杂质元

11、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带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空 穴的激发叫穴的激发叫非本征激发或杂质激发非本征激发或杂质激发。这种半。这种半 导体叫杂质半导体。导体叫杂质半导体。 v杂质半导体杂质半导体本身也存在本征激发，一般杂质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。一就可达到目的。 当半导体从外界获得一定的能量，受到激发，电子从价当半导体从外界获得一定的能量，受到激发，电子从价 带顶端跃迁

12、到导带底端，而产生出自由电子和自由空穴带顶端跃迁到导带底端，而产生出自由电子和自由空穴 的现象。本征激发的容易程度受到的现象。本征激发的容易程度受到禁带宽度禁带宽度的影响的影响 1. 半导体材料的分类半导体材料的分类 杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 掺杂原子的价电掺杂原子的价电 子多于纯元素的子多于纯元素的 价电子，又称施价电子，又称施 主型半导体主型半导体 掺杂原子的价电子少掺杂原子的价电子少 于纯元素的价电子，于纯元素的价电子， 又称受主型半导体又称受主型半导体 1. 半导体材料的分类半导体材料的分类 本本 征征 半半 导导 体体 N型型 半导半导 体体 P型

13、型 半导半导 体体 掺入五价元素掺入五价元素 P（磷）（磷） 掺入三价元素掺入三价元素 B(硼）硼） 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 （1）能带）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。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）带隙 能带之间的区域能带之间的区域 （3）禁带）禁带 带隙不存在电子的能级带隙不存在电子的能级 （4）满带）满带 能级已被电子所占满，在外电场作用下，满带中的电子并不形能级已被电子所占满，在外电场作用下，满带

14、中的电子并不形 成电流，对导电没有贡献（原子中的内层电子）成电流，对导电没有贡献（原子中的内层电子） 2.1 半导体内的电子特性半导体内的电子特性 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 （6）导带）导带 比价带比价带能量能量更高的能带是导带。在更高的能带是导带。在绝对零度绝对零度温度下，温度下，半导体半导体的的 价带价带(valence band)是是满带满带，受到光电注入或热激发后，价带中，受到光电注入或热激发后，价带中 的部分电子会越过的部分电子会越过禁带禁带进入进入能量能量较高的空带，空带中存在电子较高的空带，空带中存在电子 后即成为导电的能带后即成为导电的能带导带。导带。 （5）价带

15、）价带 通常是指通常是指半导体半导体或或绝缘体绝缘体中，在中，在绝对零度绝对零度下被价电子占满的最高下被价电子占满的最高 能带能带，此时在外电场作用下不导电。当外界条件发生变化时（温，此时在外电场作用下不导电。当外界条件发生变化时（温 度升高或光照），满带中有少量电子被激发到上面的空带中度升高或光照），满带中有少量电子被激发到上面的空带中 导带电子导带电子+ +价带空穴价带空穴 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 （7）杂质能级）杂质能级 半导体材料中的杂质使严格的周期性势场受到破坏，从而有可能产生能量半导体材料中的杂质使严格的周期性势场受到破坏，从而有可能产生能量 在在带隙中的局域化电子

16、态带隙中的局域化电子态，称为杂质能级。对于杂质和主晶格原子价电子相，称为杂质能级。对于杂质和主晶格原子价电子相 差差1 1的施（受）主杂质，它们的离化能很小，通常只有十几几十毫电子伏，的施（受）主杂质，它们的离化能很小，通常只有十几几十毫电子伏， 在常温下就能电离而向导带（价带）提供电子（空穴），自身成为带正（负在常温下就能电离而向导带（价带）提供电子（空穴），自身成为带正（负 ）电的电离施（受）主，通常称这些杂质能级为施（受）主能级。）电的电离施（受）主，通常称这些杂质能级为施（受）主能级。 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 满带满带 禁带禁带 半满带半满带 金属原子中的价电金属原子中

17、的价电 子占据的能带是部子占据的能带是部 分占满的，因此金分占满的，因此金 属是良好的导体属是良好的导体 价带价带 禁带禁带 导带导带 与金属的区别：电子和与金属的区别：电子和 空穴导电空穴导电 与绝缘体的区别：禁带与绝缘体的区别：禁带 宽度比较小，常温下已宽度比较小，常温下已 有电子激发到导带中，有电子激发到导带中， 具有一定导电能力具有一定导电能力 价带价带 禁带禁带 导带导带 绝缘体禁带宽度大绝缘体禁带宽度大 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 v导体导体的能带中都有未被填满的价带，在外的能带中都有未被填满的价带，在外 电场的作用下，电子可由价带跃迁到导带，电场的作用下，电子可由价带

18、跃迁到导带， 从而形成电流。从而形成电流。 v绝缘体绝缘体的能带结构是满带与导带之间被一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，因此其电导有电子可以被激发越过禁带，因此其电导 率很低。率很低。 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 半导体的导电机理半导体的导电机理 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，电荷。同时，在

19、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荷。因此，半导体的导电来源于电子电子和和空穴空穴的运动，的运动， 电子和空穴都是半导体中导电的载流子。电子和空穴都是半导体中导电的载流子。 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 eV eV eV eV 10 8 6 4 导带 禁带 Eg 2 1 价带 10 8 6 4 导带 2 Eg 0 禁带 价带 2 4 L L X L L L X L L L X L L L X L （Si） （Ge） （GaAs） （GaP） 10 8 6 4

20、2 0 导带 禁带 Eg 2 4 价带 10 8 6 4 2 0 禁带 导带 2 4 价带 Eg 导带 施主能级 受主能级 x 空间坐标 禁带 价带 Eg v 典型半导体的能带图（图典型半导体的能带图（图5-2） 直接跃迁型，易直接跃迁型，易 产生发光跃迁产生发光跃迁 间接跃迁型，间接跃迁型， 压阻效应压阻效应 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 2.2 决定电导、载流子密度、迁移率的机制决定电导、载流子密度、迁移率的机制 （1）电导）电导 1l RS 若用电流密度若用电流密度J代替电流，用电场强度代替电流，用电场强度E代替电压代替电压 ，由欧姆定律：，由欧姆定律： J 由于电流是每单位时

21、间通过的电量。设电子电荷为由于电流是每单位时间通过的电量。设电子电荷为e，传导，传导 电子密度（浓度）为电子密度（浓度）为ne，速度为，速度为Ve，空穴密度为，空穴密度为np，速度，速度 为为Vp ,有：有： eePPeePP ()()()JneVn eVe n Vn V 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 当外加电压不是太高时，漂移速度与电场成正比，系数为当外加电压不是太高时，漂移速度与电场成正比，系数为迁移率迁移率： pepe VE 代入可得：代入可得： eepp ()e nn （2）霍尔效应）霍尔效应 把通有电流的半导体放在均匀的磁场中，设电场沿把通有电流的半导体放在均匀的磁场中，设

22、电场沿x方向，电方向，电 场强度为场强度为Ex，电流密度，电流密度Jx；磁场方向和电场垂直，沿；磁场方向和电场垂直，沿z方向，磁方向，磁 感应强度为感应强度为Bz，则在垂直于电场和磁场的，则在垂直于电场和磁场的+y或或-y方向将产生一个方向将产生一个 横向电场横向电场Ey，该现象被称为霍尔效应（，该现象被称为霍尔效应（RH为霍尔系数）。为霍尔系数）。 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 B VH VZ 若样品长度为若样品长度为l，厚度为厚度为t，宽度为，宽度为w，则霍尔电动势为：，则霍尔电动势为： . xzxzxz HyH ee 1 () I B wI BI B VE wR n ewtn

23、ett 做什么？做什么？ 1）通过霍尔电压的正负判别半导体的导电类型）通过霍尔电压的正负判别半导体的导电类型 n型和型和p型半导体的霍尔系数符号相反，即霍尔电压的正负相反。型半导体的霍尔系数符号相反，即霍尔电压的正负相反。 2）测定载流子浓度和迁移率）测定载流子浓度和迁移率 3）霍尔器件）霍尔器件 11 () H R pq nq p/n:载流子浓度载流子浓度 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 （4）磁阻效应）磁阻效应 在与电流垂直的方向加磁场后，沿外加电场方向的电流密度在与电流垂直的方向加磁场后，沿外加电场方向的电流密度 有所降低，即由于磁场的存在，半导体的电阻增大，该现象称为有所降低，

24、即由于磁场的存在，半导体的电阻增大，该现象称为 磁阻效应。磁阻效应。想到什么？想到什么？ 物理磁阻效应物理磁阻效应 几何磁阻效应几何磁阻效应 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 2.3 电学性质的温度依赖关系电学性质的温度依赖关系 1. 载流子散射载流子散射 l 在一定温度下，半导体内部的大量载流子，即使没有电场作用，也不在一定温度下，半导体内部的大量载流子，即使没有电场作用，也不 是静止不动的，而是在做无规则的、杂乱无章的运动是静止不动的，而是在做无规则的、杂乱无章的运动热运动热运动 l 晶格上的原子也在不停地围绕格点做晶格上的原子也在不停地围绕格点做热振动。热振动。 l 半导体掺杂的杂

25、质一般是半导体掺杂的杂质一般是电离状态，带有电荷电离状态，带有电荷 载流子在半导体中运动时，会不断与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离载流子在半导体中运动时，会不断与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离 子发生碰撞，大小和方向发生改变；即电子波在半导体中传播碰到了散射子发生碰撞，大小和方向发生改变；即电子波在半导体中传播碰到了散射 载流子在外电场作用下的实际运动轨迹实际是热运动和载流子在外电场作用下的实际运动轨迹实际是热运动和 漂移运动的叠加。漂移运动的叠加。 2. 半导体的基础物性半导体的基础物性 2.3 电学性质的温度依赖关系电学性质的温度依赖关系 （图（图5-6） 2 3 3 2 1 *

26、q mBNi AT T 推导参见推导参见半导体物理半导体物理 1 1）高纯样品或杂质浓度较低）高纯样品或杂质浓度较低 NNi i（掺杂浓度）很小（掺杂浓度）很小， ， 可略去，晶格散射起主要作用，迁移率 可略去，晶格散射起主要作用，迁移率 随温度升高迅速减小。随温度升高迅速减小。 2 2）杂质浓度增加）杂质浓度增加杂质浓度很高时杂质浓度很高时 l 低温范围：低温范围： 增大，杂质散射起主要作用。晶格振动散射与之相比影响不增大，杂质散射起主要作用。晶格振动散射与之相比影响不 大，因此迁移率随温度升高而增大；大，因此迁移率随温度升高而增大； l 高温范围（约高温范围（约250左右）：左右）：T增大

27、，增大， 降低，降低， 起主导地位，以晶格起主导地位，以晶格 振动散射为主，迁移率下降振动散射为主，迁移率下降 3 2 BNi T 2 3 AT 3 2 BNi T 3 2 BNi T 3. 半导体的压阻效应半导体的压阻效应 原理：原理：半导体的压力敏感元件是基于在半导体的压力敏感元件是基于在应力的应力的 作用下半导体晶体的能带结构发生变化作用下半导体晶体的能带结构发生变化，从而，从而 改变载流子迁移率和载流子密度的。改变载流子迁移率和载流子密度的。 优点：优点：从小型化、可靠性、高灵敏度和容易获从小型化、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得电信号等角度出发，利

28、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。元件和位移敏感元件受到人们广泛注意。 缺点缺点:压阻效应型半导体压力敏感元件的压阻效应型半导体压力敏感元件的缺点缺点是是 特性随温度的变化大特性随温度的变化大。 补充内容：补充内容： 1.1.金属电阻应变片金属电阻应变片 （形变规）（形变规） （1 1）金属丝电阻应变效应金属丝电阻应变效应 L R S dRddLdS RLS 金属导体在发生机械变形时，其阻值发生相应变化，即形金属导体在发生机械变形时，其阻值发生相应变化，即形 成导体的电阻应变效应。由于成导体的电阻应变效应。由于 式中：式中： 电阻率；电阻率； L L 导体长度；导体长度；

29、 S S 导体截面积。导体截面积。 对式（对式（3-13-1）进行全微分得）进行全微分得 （3-13-1） （3-23-2） 令导体纵向（轴向）应变量令导体纵向（轴向）应变量 ，横向（径向）应，横向（径向）应 变量为变量为 ，由，由材料力学材料力学相关知识可知，在弹性范相关知识可知，在弹性范 围内，金属丝受拉时，纵向应变与横向应变的关系为：围内，金属丝受拉时，纵向应变与横向应变的关系为： 2 2SrdSrdr 2 22dSrdrdr Srr 即当金属丝受拉而伸长时，则即当金属丝受拉而伸长时，则、L L、S S的变化的变化dd、dLdL、dSdS 将会引起电阻值的变化。将会引起电阻值的变化。 令

30、导体截面半径为令导体截面半径为r，则，则 /dL L / r dr r r drdL rL 式中式中 金属材料的泊松系数。金属材料的泊松系数。 将将(3-2)(3-2)、(3-3)(3-3)代入代入(3-1)(3-1)可得：可得： （3-33-3） (12 ) dRdLd RL / S dR dL K RL (12 )/ S ddL K L / (1 2 ) d 引入应变灵敏系数引入应变灵敏系数 由式（由式（3-43-4）得）得 （3-43-4） （3-53-5） r 其物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量。其物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量。 式中，式中， 决定于导体几何形状

31、发生的变化，决定于导体几何形状发生的变化， 决定于导决定于导 体变形后所引起的电阻率的变化，对于金属丝而言，第二项可忽体变形后所引起的电阻率的变化，对于金属丝而言，第二项可忽 略不计。略不计。 KS为金属导体应变灵敏系数，其物理含义是单位纵向应变引为金属导体应变灵敏系数，其物理含义是单位纵向应变引 起电阻的相对变化量，即起电阻的相对变化量，即 (12 ) /d SS dRdL KK RL SS RL KK RL 或或 沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时，其沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时，其 电阻率将随应力改变而变化，这种现象称之为半导体的压阻效电阻率将随应力改变而变

32、化，这种现象称之为半导体的压阻效 应。应。不同类型的半导体，其压阻效应不同；同一类型的半导体，不同类型的半导体，其压阻效应不同；同一类型的半导体， 受力方向不同，压阻效应也不同，半导体应变片的纵向压阻效受力方向不同，压阻效应也不同，半导体应变片的纵向压阻效 应可写为：应可写为： (12 ) RL RL 由半导体电阻理论可知：由半导体电阻理论可知： E 式中：式中：半导体材料的纵向压阻系数；半导体材料的纵向压阻系数； E E半导体材料的弹性模量。半导体材料的弹性模量。 (12) R E R 所以所以 （3-63-6） R E R / B RL KE RL 式中，式中，1+21+2是由纵向应力而引

33、起应变片几何形状的变化，金是由纵向应力而引起应变片几何形状的变化，金 属电阻应变灵敏系数主要由此项决定；属电阻应变灵敏系数主要由此项决定；E是因纵向应力所引是因纵向应力所引 起的压阻效应，半导体电阻应变灵敏系数主要由起的压阻效应，半导体电阻应变灵敏系数主要由EE决定，因决定，因 为一般为一般EE比比1+21+2大近百倍，故可得：大近百倍，故可得： 其应变灵敏系数为：其应变灵敏系数为： 压阻效应的解释：压阻效应的解释：当力作用于硅晶体时当力作用于硅晶体时, ,晶体的晶体的 晶格发生形变晶格发生形变, ,它使载流子产生一个能谷到另一它使载流子产生一个能谷到另一 个能谷的散射个能谷的散射，载流的，载

34、流的迁移率发生变化迁移率发生变化，扰动了，扰动了 纵向和横向的平均有效质量，使硅的电阻发生变纵向和横向的平均有效质量，使硅的电阻发生变 化。这个变化随化。这个变化随Si Si单晶的取向不同而不同，即单晶的取向不同而不同，即Si Si 的压阻效应与晶体取向有关，是各向异性的。的压阻效应与晶体取向有关，是各向异性的。 4.半导体敏感元件半导体敏感元件 4. 1 射线敏感元件（了解）射线敏感元件（了解） 4.2 电场、磁场敏感元件电场、磁场敏感元件 4.3 化学敏感元件化学敏感元件 4. 1 射线敏感射线敏感元件元件 射线敏感元件：射线敏感元件：特性参数随外界放射线种类和剂量变化而明特性参数随外界放

35、射线种类和剂量变化而明 显变化的敏感元器件显变化的敏感元器件 直接电离作用：直接电离作用：在在射线和射线和射线等射线等带电粒子束带电粒子束的情况下，的情况下， 半导体与射线相互作用产生电子半导体与射线相互作用产生电子-空穴对的过程为空穴对的过程为直接电离直接电离 作用。作用。 间接电离作用：间接电离作用：在在X射线和射线和 射线等射线等电磁射线电磁射线的情况下，主的情况下，主 要是光电效应、康普顿效应和由于电子要是光电效应、康普顿效应和由于电子-空穴对的生成而产空穴对的生成而产 生的生的间接电离作用。间接电离作用。 短波电磁辐射短波电磁辐射( (如如X X射线，伽玛射线射线，伽玛射线) )射入

36、物质而被射入物质而被 散射后，除了出现与入射波同样波长的散射外，还散射后，除了出现与入射波同样波长的散射外，还 出现波长向长波方向移动的散射现象。出现波长向长波方向移动的散射现象。 4. 1 射线敏感射线敏感元件元件 产生一个电子产生一个电子-空穴对所需的射线的平均能量空穴对所需的射线的平均能量称为称为 值。它与半导体的禁带宽度之间的近似关系：值。它与半导体的禁带宽度之间的近似关系： g Eb =2.8=2.8，0.50.5b b5.05.0 制备射线敏感元件时：制备射线敏感元件时： 1 1）根据检测的射线种类和能量来决定所用半导体的种类和敏）根据检测的射线种类和能量来决定所用半导体的种类和敏

37、 感元件的形状感元件的形状 2 2）敏感元件的结构一般采用）敏感元件的结构一般采用pnpn结型、结型、PINPIN型、表面势垒型等型、表面势垒型等 4. 1 射线敏感元件射线敏感元件 放射线 冷却系 半导体放射线传感 器前置放大器 主放大器 偏置电源 波高分析器 v 测量系统和装置测量系统和装置 若射线粒子入射在半导体上，则产生数量为若射线粒子入射在半导体上，则产生数量为除以粒子能量除以粒子能量 的电子的电子-空穴对。空穴对。电子电子-空穴对除被复合或俘获的以外，余下的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。都被敏感元件的电极收集。用用前置放大器前置放大器可对具有波高正比于

38、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，并记录下高分析器，并记录下与波高相应的频率分布与波高相应的频率分布。 放射线能量分析装置框图放射线能量分析装置框图 4. 1 射线敏感元件射线敏感元件 X 射线管 被检测物体 控制系统 高压电源 放大系统 半导体传感器 X 射线 胶片 v 典型应用（典型应用（CT扫描：断层扫描技术）扫描：断层扫描技术） l 根据人体不同组织对根据人体不同组织对X X线的吸收与线的吸收与 透过率的不同进行检测。透过率的不同进行检测。 l 用用X X线线束对人体某部一定厚度的

39、层束对人体某部一定厚度的层 面进行扫描，由探测器接收透过该层面进行扫描，由探测器接收透过该层 面的面的X X线，转变为可见光后，由光电线，转变为可见光后，由光电 转换变为电信号，再经模拟转换变为电信号，再经模拟/ /数字转数字转 换器（换器（analog/digital converteranalog/digital converter）转为）转为 数字，输入数字，输入计算机计算机处理。处理。 19791979年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖 “开发计算机辅助的断层扫描技术开发计算机辅助的断层扫描技术” 传感器在医疗领域的应用！传感器在医疗领域的应用！ 4.2.1 电场敏感元件电场

40、敏感元件 电场与电位、电荷密切相关，因此测量电场的敏感元件也可电场与电位、电荷密切相关，因此测量电场的敏感元件也可 将其看做是电位（电压）或电荷敏感元件。将其看做是电位（电压）或电荷敏感元件。 测量探针 导电性衬底 绝缘体 栅电极 漏 电流计 FET 源 漏 A 利用利用FET测量电荷分布测量电荷分布 4.2 电场、磁场敏感元件电场、磁场敏感元件 测量绝缘膜上的测量绝缘膜上的 表面电位或电荷表面电位或电荷 分布分布 方法方法：利用：利用高输入阻抗高输入阻抗FET的的非接触法非接触法。 原理：原理：此方式不是直接测量表面电位或电荷，而是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

41、产生的电场在探头上感应出利用分布在表面的电荷产生的电场在探头上感应出 电荷电荷，最终对，最终对FET的栅极产生影响。的栅极产生影响。 4.2.1 电场敏感元件电场敏感元件 感应起电的概念：把电荷移近不带电的导体，可以使导体感应起电的概念：把电荷移近不带电的导体，可以使导体 带电的现象。带电的现象。 感应起电是物体在静电场的作用下，发生了的电荷上再分布的现象。比感应起电是物体在静电场的作用下，发生了的电荷上再分布的现象。比 如：一个设备加电工作的过程中，产生了一定的电磁场，外围的物体受如：一个设备加电工作的过程中，产生了一定的电磁场，外围的物体受 场的作用会感应出部分电荷，如显示器的屏幕带电现象

42、。场的作用会感应出部分电荷，如显示器的屏幕带电现象。 4.2.2 磁场敏感元件磁场敏感元件 半导体磁场敏感元件可分为半导体磁场敏感元件可分为磁阻效应型、霍尔磁阻效应型、霍尔 效应型和载流子偏转型效应型和载流子偏转型三类。三类。 无论哪一种类型都是利用来自磁场的洛仑兹力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。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作为半导体，若优先考虑灵敏度则选择电子迁 移率大的移率大的InSb和和InAs；若要求温度稳定性好则；若要求温度稳定性好则 选择禁带宽度大的选择禁带宽度大的GaAs；若要求具有信号处理；若要求具有信号处理 功

43、能而做成集成电路时，则倾向于选择硅。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型敏感元件 I B I I I 磁阻效应磁阻效应 磁阻元件是利用磁阻元件是利用磁场一磁场一 旦加在半导体上半导体旦加在半导体上半导体 的电阻就增加的磁阻效的电阻就增加的磁阻效 应应做成的敏感元件。做成的敏感元件。 此元件有两个端子，在此元件有两个端子，在 此元件中半导体电阻率此元件中半导体电阻率 增加的同时还包括电流增加的同时还包括电流 分布随磁场而变、电流分布随磁场而变、电流 路径变长、电阻增加的路径变长、电阻增加的 形状效应。形状

44、效应。 4.2 电场、磁场敏感元件电场、磁场敏感元件 由于洛伦兹力产生霍尔电场，对于某种速度由于洛伦兹力产生霍尔电场，对于某种速度 的载流子，如果霍尔电场的作用与洛伦兹力的载流子，如果霍尔电场的作用与洛伦兹力 的作用刚好抵消时，那么小于或大于该速度的作用刚好抵消时，那么小于或大于该速度 的载流子发生偏转，因此沿外加电场方向运的载流子发生偏转，因此沿外加电场方向运 动的载流子数目减少，电阻增大。动的载流子数目减少，电阻增大。 4.2.2.1磁阻效应型敏感元件磁阻效应型敏感元件 I B I I I 4.2 电场、磁场敏感元件电场、磁场敏感元件 l长宽比长宽比1 1：扁条形，霍尔效应：扁条形，霍尔效

45、应 降低，电流偏转很厉害，长增加降低，电流偏转很厉害，长增加 增长，电阻增加很多增长，电阻增加很多 长宽比长宽比1 1 电流路径增长电流路径增长 几何磁阻效应几何磁阻效应 1. 1. 电流路径增长电流路径增长 l 加磁场后，产生横向电场；加磁场后，产生横向电场； 电流密度与合成电场方向不电流密度与合成电场方向不 一致，合成电场强度一致，合成电场强度E E偏转。偏转。 l 内部电流密度仍与边缘平内部电流密度仍与边缘平 行，但在金属电极处，合成行，但在金属电极处，合成 电场强度与金属电极表面垂电场强度与金属电极表面垂 直，所以电流密度发生偏转。直，所以电流密度发生偏转。 2. 2. 几何磁阻效应几

46、何磁阻效应 长宽比长宽比1 1 l长宽比长宽比1 1：长的增大不明显：长的增大不明显 在电阻率增加效应中，当磁场强度在电阻率增加效应中，当磁场强度B不那么大时，不那么大时， 电阻率的增加为：电阻率的增加为： 2 0 ()B 敏感元件的输入电阻敏感元件的输入电阻RB可由下式求出：可由下式求出： B0m 0 () V RRg I V V为输入电压；为输入电压；I I为输入电流；为输入电流；R R0 0、 0 0为没有磁场作为没有磁场作 用时的输入电阻和输入电阻率；用时的输入电阻和输入电阻率；g gm m为由形状效应引起的为由形状效应引起的 电阻增加率。电阻增加率。 4.2.2.1磁阻效应型敏感元件

47、磁阻效应型敏感元件 霍尔迁移率霍尔迁移率 4.2.2.2 霍尔效应型敏感元件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。场的极性。 利用磁场强度利用磁场强度B、控制电流、控制电流Ic、霍尔系数、霍尔系数RH、元件厚度、元件厚度d和和 形状效应系数形状效应系数fH，霍尔电压可由下式表示：，霍尔电压可由下式表示： H HHC R Vf I B d H 1 R ne 4.2 电场、磁场敏感元件电场、磁场敏感元件

48、磁场的精密测量磁场的精密测量 4.2.2.2 霍尔效应型敏感元件霍尔效应型敏感元件 测试原理：测试原理： VH正比于磁场强度正比于磁场强度B和电流和电流Ic，而，而 与厚度成反比，所以希望制成薄膜形状。与厚度成反比，所以希望制成薄膜形状。RH与与 材料有关，是物质固有的常数，从而必须选择对材料有关，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、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。加工性等，这随用途而异。 材料体系：材料体系：作为典型的磁敏材料，

49、可使用作为典型的磁敏材料，可使用InSb、 InAs、GaAs、Ge、Si等材料，等材料，磁场的精密测量磁场的精密测量 可使用可使用温度系数小温度系数小的的InAsP，而利用而利用Si、GaAs可可 望实现集成化。望实现集成化。 4.2 电场、磁场敏感元件电场、磁场敏感元件 4.2.2.3 载流子偏转型敏感元件（载流子偏转型敏感元件（了解了解） C1 E C2 n+ n+ n+ n+ e n P-Si C1 E B2 n+ n n+ n+ n P-Si B1 C2 n+ P e n （a） （b） （ a）所示的情况是）所示的情况是双极晶体管型敏感元件双极晶体管型敏感元件，由于磁场的作，由于磁

50、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（子（C1，C2）间产生不平衡输出，并以此为输出信号。而）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）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（和基极对（ C1，C2，B1，B2）得到。）得到。 4.3 化学敏感元件化学敏感元件 测定溶液 栅绝缘膜 电流计 A n n P-Si 源 漏 ISFET敏感元件原理图敏感元件原理图 4.3.1 ISFET（离子敏场效应晶体管）（离子敏场效应晶体管） 基本结构：基本结构：采用将

51、栅绝采用将栅绝 缘 膜 上 设 有 金 属 栅 的缘 膜 上 设 有 金 属 栅 的 FET直接浸入溶液的形直接浸入溶液的形 式。式。 原理：原理：溶液中离子浓度溶液中离子浓度 的变化的变化诱发诱发溶液与栅绝溶液与栅绝 缘膜间的缘膜间的界面电位界面电位变化，变化， 此变化最终导致了此变化最终导致了FET 的的沟道电导沟道电导变化。变化。 举例：酶举例：酶FET v结构结构：大多数由以有机物所制作的敏感膜与：大多数由以有机物所制作的敏感膜与HFET(HFET(氢离子场氢离子场 效应管效应管) )组成。组成。 v原理原理：进行测量时，由于酶的催化作用，使待侧的有机分子：进行测量时，由于酶的催化作用

52、，使待侧的有机分子 反应生成反应生成FETFET能够响应的离子，离子浓度变化引起栅极电位能够响应的离子，离子浓度变化引起栅极电位 变化，通过测试漏极电流得出所需信号。变化，通过测试漏极电流得出所需信号。 v制法制法：去掉：去掉FETFET的栅极金属，在此处固定生物敏感膜，其表的栅极金属，在此处固定生物敏感膜，其表 面一旦与若干水分溶化在一起时（称为水合作用），下式中面一旦与若干水分溶化在一起时（称为水合作用），下式中 的的电位与氢离子浓度倒数的对数电位与氢离子浓度倒数的对数( (即即PHPH值值) )成比例成比例。 pH F RT EE 303.2 0 l 用电子聚合物将丁酰胆碱脂酶固定在用电

53、子聚合物将丁酰胆碱脂酶固定在ISFET ISFET 电极的敏电极的敏 感栅极上来测定敌敌畏感栅极上来测定敌敌畏 （1 1）检测原理检测原理：敌敌畏首先与酶进行化学反应，使得有活性的丁敌敌畏首先与酶进行化学反应，使得有活性的丁 酰胆碱脂酶的量不断减小，进而抑制了乙酰胆碱水解生成乙酸的过酰胆碱脂酶的量不断减小，进而抑制了乙酰胆碱水解生成乙酸的过 程，从而使得氢离子的浓度越来越小，因此漏电流也越来越小。程，从而使得氢离子的浓度越来越小，因此漏电流也越来越小。 （2）器件设计器件设计 电子聚合物生物传感器阵列单元的电子聚合物生物传感器阵列单元的MOSMOS场效应管剖面示意图场效应管剖面示意图 其中，其

54、中，4 4是是SiSi3 3N N4 4 钝化层， 钝化层，5 5是是电子聚合物层电子聚合物层, 6, 6是是生物材料层生物材料层 场效应管芯片的梳状结构示意图场效应管芯片的梳状结构示意图 （3）制备工艺）制备工艺 采用标准的采用标准的MOS工艺制作出工艺制作出MOS场效应管场效应管 ； 刻蚀去除栅区的金属铝刻蚀去除栅区的金属铝 ； 运用运用PVD法在梳状栅区沉积法在梳状栅区沉积Si3N4钝化层钝化层 （80-150 nm）；）； 采用自组装法在采用自组装法在Si3N4钝化层上制备厚度为钝化层上制备厚度为1-2m的电子聚合物层的电子聚合物层 (PEDOT)； 在在PEDOT层上沉积层上沉积23

55、 m的生物活性材料酶的生物活性材料酶 ； 引线、封装引线、封装 。 A. A. 单体氧化剂配比为单体氧化剂配比为1:2 B. 1:2 B. 单体氧化剂配比为单体氧化剂配比为1:41:4 C. C. 单体氧化剂配比为单体氧化剂配比为1:5 D. 1:5 D. 单体氧化剂配比为单体氧化剂配比为1:61:6 E E聚合反应时间为聚合反应时间为1515分钟分钟 F. F. 聚合反应时间为聚合反应时间为2525分钟分钟 G. G. 聚合反应时间为聚合反应时间为3535分钟分钟 电子聚合物电子聚合物ENFETENFET的性能测试系统的性能测试系统 0100200300400500600700 3.35 3

56、.40 3.45 3.50 3.55 3.60 3.65 3.70 3.75 3.80 3.85 H+ 离子 浓 度减小 IDS (mA) Time (s) 电子聚合物电子聚合物ENFET在不同在不同pH值的缓冲溶液中值的缓冲溶液中 的电流值与时间的关系的电流值与时间的关系 由上而下，其由上而下，其pH值分别为值分别为6.2，6.8，7.5，8.6，9.2 6.06.57.07.58.08.59.09.5 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 IDS (mA) pH 050100150200250300 4.65 4.70 4.75 4.80 4.85 4.90 4.95 I

57、DS (mA) Time(s) 底 物 7.26x10-6 mol/l 3.62x10-5 mol/l 1.45x10-4 mol/l 2.9x10-4 mol/l 5.8x10-4 mol/l 1.16x10-3 mol/l 4.3.1 ISFET（离子敏场效应晶体管）（离子敏场效应晶体管） S1 栅绝缘膜 硅衬底 漏 源 Mn(mn)Sn M2(m2)S2 M1(m1) v 有叠层感应膜结构的有叠层感应膜结构的ISFET （了解）（了解） 利用介于多层感应膜中的利用介于多层感应膜中的 物质产生的物质产生的连锁的生化反连锁的生化反 应应，从而以，从而以Sn的形式检测的形式检测 难于直接检测的

58、检测对象难于直接检测的检测对象 的敏感元件。的敏感元件。 因为温度是生化反应的重因为温度是生化反应的重 要参数，所以使加热用的要参数，所以使加热用的 扩散电阻区或探测温度用扩散电阻区或探测温度用 的二极管或晶体管靠近的二极管或晶体管靠近 FET，并使之一体化，从，并使之一体化，从 而有可能达到高性能化。而有可能达到高性能化。 2 (,1) iiii R SmSin 连锁的生化反应连锁的生化反应 4.3 化学敏感元件化学敏感元件 4.3.2 共振微桥敏感元件共振微桥敏感元件 化学蒸气 高分子膜 聚硅酮微桥 硅衬底 检测电极 激励电极 其结构为在硅衬底上用其结构为在硅衬底上用聚硅酮制成微桥聚硅酮制成微桥，进而在其上制作，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高分子膜。微桥下面设置有为便于用静电功率激励桥的激激 励电极励电极和检测电容性共振率的和检测电容性共振率的检测电极检测电极。 若检测对象物质附着在高分子膜上，则由于若检测对象物质附着在高分子膜上，则由于质量质量增加，增加，共共 振频率发生变化振频率发生变化，这种变化可作为输出信号进行观测。，这种变化可作为输出信号进行观测。 4.3 化学敏感元件化学