半导体传感器的原理应用及发展

1、半导体传感器的原理、应用及发展摘要：本文主要评述半导体传感器例如磁敏，色敏，离 子敏，气敏，湿敏的传感器的原理，各行业的应用及目前的发展 前景。关键词：半导体传感器，磁敏、色敏、离子敏、气敏、湿敏、 工作原理、现状、发展趋势、应用一、概述由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种 固态传感器相继问世，半导体传感器以其易于实现集成化，微型化，灵敏度高等诸多优点，一直引起世界各国科学家的重视和兴 趣，并且越来越多的应用于各个行业。半导体传感器利用半导体材料易受外界条件影响的物理特 性制成的传感器，器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的 特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能

2、。半导体传感器的优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重 量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。半导体传感 器的主要应用领域是工业白动化、 遥测、工业机器人、家用电器、 环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。二、分类1、磁敏传感器磁敏传感器的工作原理磁敏传感器是利用半导体材料中的白由电子或者空穴随磁 场改变其运动方向这一特性而制成的， 总的来说磁敏传感器就是 基于磁电转换原理的传感器。磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。1.1.磁敏电阻器磁阻效应 将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外， 其电阻也会随磁场而变化，这种效应成为磁电阻效应，简称磁阻

3、 效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。当温度恒定时，在弱磁场范围内， 磁阻与磁感应强度 B B 的平 方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为P B=p 0(1+0.273(1+0.273V2B2)2B2) 式中 B-B-磁感应强度；V-V-载流子迁移率；p o-零磁场下的电阻率；PB-磁感应强度为 B B 时的电阻率。设电阻率的变化为P= =P Bn p 0,则电阻率的相对变化率为 P P / /p 0=0.273=0.273v2B2=K(2B2=K( B)B)2由上式可知，磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。磁敏电阻的应用一般用于磁场强度

4、、漏磁、制磁的检测； 在交 流变换器、频率变换器、功率电压变换器、位移电压变换器、等 电路中作控制元件；还可用于接近开关、磁卡文字识别、磁电编 码器、电动机测速等方面或制作磁敏传感器用。2.2.磁敏二极管晶体二极管为一个由 p p 型半导体和 n n 型半导体形成的 p-np-n 结， 在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有白建电场。当不存 在外加电压时，由于 p-np-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流 和白建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和白建电场的互相抑 消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和白建电场进一步

5、加 强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱 和电流 1 10。当外加的反向电压高到一定程度时，p-np-n 结空间电荷层中的 电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程， 产生大量电子空穴 对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。在电路中，P+P+区接正电极，N+N+区接负电极，即给磁敏二 极管加上正电压时，P+P+区向 i i 区注人空穴，N+N+区向 i i 区注入电 子。在没有外加磁场时，大部分的空穴和电子分别流人N+N+区和P+P+区而产生电流，只有很少一部分载流子在 i i 区或 r r 区复合。 此时 i i 区有固定的阻值，器件呈稳定状态。若给磁敏二

6、极管外加 一个磁场 B+B+时，在正向磁场的作用下，空穴和电子在洛仑兹力 的作用下偏向 r r 区。由于空穴和电子在，区的复合速率大， 因此 载流子复合掉的比没有磁场时大得多， 从而使 i i 区中的载流子数 目减少，i i 区电阻增大，该区的电压降也增加，又使 P+P+与 N+N+ 结的结压降减小，导致注人到 i i 区的载流子数目减少。其结果是 使 i i 区的电阻继续增大，其压降也继续增大，形成正反馈过程， 直到迸人某一动平衡状态为止。当给磁敏二极管加一个反向磁场 B-B-时，载流子在洛仑兹力的作用下均偏离复合区 r r。其偏离，区 的结果与加正向磁场时的情况恰恰相反， 此时磁敏二极管的

7、正向 电流增大，电阻减小。场磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合测量弱磁场；可制作钳位电流计，对高压线进行不断线、无接触电流测量， 还可作无接触电位计等。3.3.霍尔传感器霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。霍尔效应：通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力的作用，并有向两边聚集的倾向，由于白由电子的聚集从而形成电势差， 在经过特殊工艺制备的半导 体材料这种效应更为显著。从而形成了霍尔元件。为增强对磁场 的敏感度，在材料方面半导体 IIIVIIIV 元素族都有所应用。霍尔器 件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在150150 Q Q 500Q50

8、0Q 之间。对线性传感器工作电流大约在 210m210m 必右, 一般采无磁场加正向磁场加反向磁用恒流供电法。磁敏传感器的发展与应用将磁敏传感器用于各种测磁仪中，其应用范围包括工业、农业、 交通运输、国防、军事、航空航天、海洋、气象、医疗卫生、家 庭、办公等等，可谓无所不至。2.色敏传感器色敏传感器工作原理半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种。它也是基于半导体的内光效应，将光信号变成为电信号的光辐射探测器件。半 导体色敏器件可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐 射的波长。半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管 的组合，故又称双结光电二极管。色敏器件之所以能够识别颜色， 其理论基

9、础就是依据光的吸 收特性，即当入射到光敏二极管上的光照强度保持一定时，输出的光电流则随入射光的波长的改变而变化， 光敏二极管的光敏特 性，从PNPN 结表面开始，随结的深度而变化，这样由于光的波长 不同，便可以反射出颜色的差异。1.1.光敏二极管工作原理用半导体硅制造的光敏二极管，在受光照射时，若入射光 子的能量 hfhf 大于硅的禁带宽度 Eg,Eg,则光子就激发价带子中的 电子跃迁到导带，而产生一对电子空穴。这些由光子激发而产生的电子-空穴通称为光生载流子。光敏二极管的基本部分是一个 P-NP-N 结。产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界， 其中少数载流子就受势垒区强电场的吸引而被拉向

10、背面区域。这部分少数载流子就对电流做出贡献。 多数载流子则受势垒区 电场的排斥而留在势垒的边缘。在势垒区内产生的光生电子和 光生空穴则分别被电场扫向 N N 区和 P P 区，它们对电流也有贡献。电凌半导体色敏传感器结构原理和等效电路当 P-NP-N 结开路或接有负载时，势垒区电场收集的光生载流 子便要在势垒区两边积累，从而使 P P 区电位升高，N N 区电位降低， 造成一个光生电动势，如图 9-119-11 (b)(b)所示。该电动势使原 P-NP-N 结的势垒高度下降为 q q(UD-U)(UD-U)。其中 V V 即光生电动势，它相当 于在 P-NP-N 结上加了正向偏压。只不过这是光

11、照形成的，而不是电 源馈送的，这称为光生电压，这种现象就是光生伏特效应。当 P-NP-N 结外电路短路时，这个光电流将全部流过短接回路， 即从 P P区和势垒区流入N N区的光生电子将通过外短接回路全部流 到P P区电极处，与 P P 区流出的光生空穴复合。这时，P-NP-N 结中的 载流子浓度保持平衡值，势垒高度亦无变化。半导体色敏传感器中所表示的 P+-N-PP+-N-P 不是晶体管，而是结 深不同的两个 P-NP-N 结二极管， 浅结的二极管是 P+-NP+-N 结； 深结的 二极管是 P-NP-N 结。当有入射光照射时，P P +、N N、P P 三个区域及 其间的势垒区中都有光子吸收

12、，但效果不同。因此，紫外光部分 吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕。在此，浅结的即是 光电二极管对紫外光的灵敏度高，而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。 在半导体中不同的区域对不同 的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性可以用来测量入射光的 波长。硅色敏管中 VD1VD1 和 VD2VD2 的光谱响应曲线就构成了可以测 定波长的半导体色敏传感器。图9-14畦色敏管中VB和V理的光谱响应曲线 0,4 0 5 0 6 0.7 0.8 0 9 I 0 I I mA AL L - - U U_皿助M M 1 1401201401

13、201色敏传感器的应用 半导体色敏传感器可用于测量光源的色温度、波长；测量、 控制 光源的色温度；选择、鉴别发光二极管的发光波长； 识别彩色纸 的颜色；识别色标；检查颜料、染料的颜色等，如在工程实际中，常需对颜色进行检测，如工厂白动化、办公白动化、彩色电视机 的颜色调整、商品代码颜色的读取、机器人颜色识别等。3.离子敏传感器离子敏传感器工作原理离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。它是由离子选择性电极（ISEISE）与金属-氧化物-半导体场 效应晶体管（MOSFMOSF 印组合而成的，简称 ISFETISFET。离子传感器是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器、 其基本原理

14、是利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性的 结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电压的改变，达到检测 的目的。1.ISFET1.ISFET 的工作原理ISFETISFET 用对离子有选择性影响的敏感膜替换普通的MOSFETMOSFET 勺金属铝栅，当敏感膜直接接触被测离子溶液时，与离子相互作用， 调制场效应晶体管的漏极电流，以检测溶液中离子的活度。ISFETISFET 的基本结构如图所示，没有金属栅极，栅介质裸露或 在其上涂敷对离子敏感的敏感膜， 与参比电极以及待测溶液一起 起着栅电极的作用。参比电极上所加的电压通过待测溶液加到绝缘栅上，是半导体表面反型，形成导电沟道。如果参比电极上施加的电

15、压正好使 半导体表面反型， 这时参比电极上的电压称为阈值电压。 对于特 定结构的 ISFET,ISFET,阈值电压的变化只由电解液与栅介质界面处的 化学势决定，而化学势的大小取决于敏感膜的性质和电解液中的 离子活度。因此通过 ISFETISFET 阈值电压的变化能够测量电解液中离 子的活度。2.2.离子敏感膜离子敏感膜是 ISFETISFET 的重要部分，是响应不同离子并将其化 学量转换为电学量的关键。不同的栅介质和敏感膜可以派生出多 种 ISFETISFET。如无机绝缘膜、固态敏感膜、有机高分子 PVO!PVO!。离子敏传感器的应用可以用来测量离子敏感电极(ISE)(ISE)所不能测量的生物

16、体中 的微小区域和微量离子。因此，它在生物医学领域中具有很强的 生命力。此外，在环境保护、化工、矿山、地质、水文以及家庭 生活，医学，生理学等各方面都有其应用。4.气敏传感器气敏传感器的工作原理半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接 触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量 其浓度的传感器的总称。气敏传感器可以把气体的特定成分和浓 度检测出来，并将它转换成电信号的器件。气敏传感器是在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体 的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用使得气敏薄膜的 膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发 生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电

17、率变化程度亦不同，即 引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化 就可以准确的反应气体浓度的变化。按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型， 电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化 来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来测 被测气体的。半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原 反应导致敏感元件阻值变化而制成的。 当半导体器件被加热到稳 定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时， 被吸附的分子首先 在表面物性白由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另 一部分残留分子产生热分

18、解而固定在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现电荷层。如果半导体的功函数大3-13(单 fi: mm )3于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正 离子吸附。当氧化型气体吸附到 N N 型半导体上，还原型气体吸附到 P P 型 半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原 型气体吸附到 N N型半导体上，氧化型气体吸附到 P P 型半导体上时， 则载流子增多，使半导体电阻值下降。下图表示了气体接触 N N 型 半导体时所产生的器件阻值变化情况。若气体浓度发生变化，其 阻值也将变化。可以从阻值的变化

19、得知吸附气体的种类和浓度。1.1.电阻型气敏原件 图(a)(a)为烧结型气敏器件。这类器件以 SnO2SnO2 半导体材料为基体， 将钳电极和加热丝埋入 SnO2SnO2 材料中，用加热、加压、温度为 700900C700900C 的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷， 简 称半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长； 但由于烧结 不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较 差，因此应用受到一定限制。器件电阻/ k, 1响应时间约1 min以内I-大气中0.5 mm 电极 3 m m -玻璃（尺寸约 1 mm，也有全为半导体的）(a)0.5(b)图(b)(b)为薄膜型器件

20、。它采用蒸发或溅射工艺，在石英基片 上形成氧化物半导体薄膜，制作方法也很简单。SnO2SnO2 半导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较大。图(c)(c)为厚膜型器件。这种器件是将氧化物半导体材料与硅 凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝 缘基片上，经烧结制成的。由于这种工艺制成的元件机械强度高， 离散度小，适合大批量生产。2.2.非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOUMOU 极管的电容一电压特性的变化以及 MOMO 觞效应晶体管(MO(MO 的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。(1)(1) MOSXMOSX 极管气

21、敏器件MOMO 幻极管气敏元件制作过程是在 P P 型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为 5010050100 nmnm 的二氧化硅(SiO2)(SiO2)层，然 后在其上面蒸发一层车巴(Pd)(Pd)金属薄膜，作为栅电极，如图 (a)(a)所示。由于 SiO2SiO2 层电容 CaCa 固定不变， 而 SiSi 和 SiO2SiO2 界面电容CsCs 是外加电压的函数如图(b),(b),因此由等效电路可知，总电容C C 也是栅偏压的函数。其函数关系称为该类MOMO 幻极管的 C-UC-U 特性，如图(c)c)曲线 a a 所示。由于钮对氢气(H2)(H2)特别敏感，当钮吸附了 H2H

22、2 以后，会使车巴的功函数降低，导致 MOMO 管的 C-UC-U 特性于测定 H2H2 的浓度。(2)MO(2)MO S S 场效应晶体管气敏器件 MOSMOS 场效应晶体管的结构， 参见下图。当 H2H2 吸附在 PdPd 栅极上时，会引起 PdPd 的功函数降低。 当栅极(G)(G)、源极(S)(S)之间加正向偏压 UGSUGS 且 UGSUT0UGSUT0 值电压) 时，则栅极氧化层下面的硅从 P P 型变为 N N 型。这个 N N 型区就将 源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为N N 型沟道。此时，MOSFETMOSFET 入工作状态。若此时，在源(S)(S)漏(D)(D)极之间

23、加电压 UDSUDS 则源极和漏极之间有电流(IDS)(IDS)流通。ISDISD 随 UDSffiUDSffi UGSUGS 的大小 而变化，其变化规律即为 MOSFEMOSFE 的伏-安特性。 当 UGSUUGS 60 HO IWftl对黜度,突RH图e - 5儿誉半导荒醵散负特性正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使 电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，于是，表面电阻将由 于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度 的增加而加大。通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，

24、故表面层电阻的升高，将引起总电阻值的明显升高。典型半导瓷湿敏元件(1)(1) MgCr2O4-TiO2MgCr2O4-TiO2 湿敏元件氧化镁复合氧化物- -二氧化 钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿一电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4MgCr2O4 为 P P 型半导体，它的电阻率低，阻值温度 特性好。金属电极(2)(2)ZnO-Cr2O3ZnO-Cr2O3 陶瓷湿敏元件ZnO-Cr2O3ZnO-Cr2O3 湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上钳引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定。ZnO-Cr2O3ZnO-Cr2O3 传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加 热除污装置，因此功耗低，体积小，成本低，是一种常用测湿传 感器。(3)(3) 四氧化三铁(Fe3O4)Fe3O4)湿敏器件四氧化三铁湿敏器件 由基片、电极和感湿膜组成。Fe3O4Fe3O4 湿敏器件在常温、常湿下性