第四章半导体材料课件.ppt

电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作第四章第四章 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电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作v什么是半导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，这时硅的纯度仍族杂质（如磷）为例，这时硅的纯度仍高达高达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以下以下电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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，可制造微波器件电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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，无光照时的暗电阻为几十薄膜，无光照时的暗电阻为几十M，当受，当受光照后电阻值可以下降为几十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/磁传感器磁传感器电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作1.半导体材料的分类半导体材料的分类II BIII AIV AV AVI A5B6C7N8O13Al14Si15P16S30Zn31Ga32Ge33As34Se48Cd49In50Sn51Sb52Te80Hg81Tl82Pb83Bi84Po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电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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 在在本本征征半半导导体体中中有有意意加加入入少少量量的的杂杂质质元元素素，以以控控制制电电导导率，形成杂质半导体。率，形成杂质半导体。v 元素半导体元素半导体 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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，除了可看作是碳元素半导体，除了硅、锗、金刚石硅、锗、金刚石外，其余的半导体元素一般外，其余的半导体元素一般不单独使用。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，故应故应用不多用不多。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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掺杂杂原原子子的的价价电电子子多多于于纯纯元元素素的的价价电电子子，又又称称施施主型半导体主型半导体掺掺杂杂原原子子的的价价电电子子少少于于纯纯元元素素的的价价电电子子，又称受主型半导体又称受主型半导体电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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）电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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）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+价带空穴价带空穴电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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在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带隙中的局域化电子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差，称为杂质能级。对于杂质和主晶格原子价电子相差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。电离施（受）主，通常称这些杂质能级为施（受）主能级。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作2.半导体的基础物性半导体的基础物性v导导体体的的能能带带中中都都有有未未被被填填满满的的价价带带，在在外外电电场场的的作作用用下下，电电子子可可由由价价带带跃跃迁迁到到导导带带，从而形成电流。从而形成电流。v绝绝缘缘体体的的能能带带结结构构是是满满带带与与导导带带之之间间被被一一个个较较宽宽的的禁禁带带所所隔隔开开，在在常常温温下下几几乎乎很很少少有有电电子子可可以以被被激激发发越越过过禁禁带带，因因此此其其电电导导率很低。率很低。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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半导导体体价价带带中中的的电电子子受受激激发发后后从从满满价价带带跃跃到到空空导导带带中中，跃跃迁迁电电子子可可在在导导带带中中自自由由运运动动，传传导导电电子子的的负负电电荷荷。同同时时，在在满满价价带带中中留留下下空空穴穴，空空穴穴带带正正电电荷荷，在在价价带带中中空空穴穴可可按按电电子子运运动动相相反反的的方方向向运运动动而而传传导导正正电电荷荷。因因此此，半半导导体体的的导导电电来来源源于于电电子子和和空空穴穴的的运运动动，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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作2.半导体的基础物性半导体的基础物性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，压阻效应压阻效应电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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 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：由于电流是每单位时间通过的电量。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：电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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：代入可得：代入可得：（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）。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作2.半导体的基础物性半导体的基础物性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：.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p/n:载流子浓度载流子浓度电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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，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电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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）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N Ni 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，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，迁移率下降电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作 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 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；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）电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作 令导体纵向（轴向）应变量令导体纵向（轴向）应变量 ，横向（径向）应变，横向（径向）应变量为量为 ，由，由材料力学材料力学相关知识可知，在弹相关知识可知，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：性范围内，金属丝受拉时，纵向应变与横向应变的关系为：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。令导体截面半径为令导体截面半径为r，则，则电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作式中式中 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）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）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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作式中，式中，决定于导体几何形状发生的变化，决定于导体几何形状发生的变化，决定于导体变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，第二项可忽略不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。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 或或 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作 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：由半导体电阻理论可知：由半导体电阻理论可知：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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作所以所以 （3-63-6）式中，式中，1+21+2是由纵向应力而引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：电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作压压阻阻效效应应的的解解释释：当当力力作作用用于于硅硅晶晶体体时时,晶晶体体的的晶晶格格发发生生形形变变,它它使使载载流流子子产产生生一一个个能能谷谷到到另另一一个个能能谷谷的的散散射射，载载流流的的迁迁移移率率发发生生变变化化，扰扰动动了了纵纵向向和和横横向向的的平平均均有有效效质质量量，使使硅硅的的电电阻阻发发生生变变化化。这这个个变变化化随随Si Si单单晶晶的的取取向向不不同同而而不不同同，即即Si Si的的压压阻阻效效应应与与晶晶体体取取向向有有关关，是是各各向向异异性性的。的。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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：=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、表面势垒型等电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作4.1 射线敏感元件射线敏感元件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 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作4.1 射线敏感元件射线敏感元件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！电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作4.2.1 电场敏感元件电场敏感元件 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。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电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作方法方法：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。场的作用会感应出部分电荷，如显示器的屏幕带电现象。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作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、磁场敏感元件电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作4.2.2.1磁阻效应型敏感元件磁阻效应型敏感元件 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旦磁场一旦加在半导体上半导体的电加在半导体上半导体的电阻就增加的磁阻效应阻就增加的磁阻效应做成做成的敏感元件。的敏感元件。此元件有两个端子，