第九章半导体传感器
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半物第九章半导体表面
Nae
f
1
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；
Qsc QB 4 N ae 0 r f 1 2
设杂质饱和电离：
p0
Na
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所ln Na ； ni
xd max
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1 Ci
4 Nae0 s f
1 2 2 f
以后，VG>VT；近似有：Vs不变；Vs≈2Φf，xd不变，xd ≈xdmax
VG Qn QM i Vi
Vi
QB Ci
Qn Ci
所以
VG
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Qn Ci
2 f
VT
Qn Ci
所以 Qn Ci VG VT
Qn为表面反型沟道中电子电荷面密度。
n i
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N型半导体，表面态为受主态，Vs<0
Ei Ei0 ( e )V ( x )
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非简并时：
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Ei E f kT
设内部电子、空穴浓度为n0，p0，本征费米能级为Ei0。所以，
单位面积上的原子数约为1015 cm－2，由于垂直表面处的
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以后，VG>VT；近似有：Vs不变；Vs≈2Φf，xd不变，xd ≈xdmax
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Qn为表面反型沟道中电子电荷面密度。
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设内部电子、空穴浓度为n0，p0，本征费米能级为Ei0。所以，
单位面积上的原子数约为1015 cm－2，由于垂直表面处的
传感器应用全章基本知识点
第一章检测与传感技术基础检测系统由传感器、测量电路、显示记录装置组成。
根据测量手段分：直接测量、间接测量、组合测量测量方式：偏差式测量（指针式万用表）、零位式测量（天平）、微差式测量（电子称）。
测量系统由被测对象、传感器、变送器、传输通道、信号处理环节、显示装置测量误差的表示方法：绝对误差、实际相对误差、引用误差、基本误差、附加误差测量误差的性质：随机误差、系统误差、粗大误差传感器的组成：敏感元件、转换元件、信号调理转换开关传感器的静态特性：灵敏度（大）、迟滞（小）、线性度（小）、重复性（小）、精度（大）、漂移（小）灵敏度：输出量Y与引起输出增量Y的相应输入量增量X之比线性度：输出与输入之间数量关系的线性程度（拟合直线）迟滞：传感器在输入量由小到大级输入量由大到小变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象第二章应变式传感器金属电阻应变片由基片、敏感栅（核心，有丝式和箔式）、覆盖层、引线组成。
康铜是广泛应用材料（热电偶也用）。
电阻应变片的温度补偿方法：线路补偿（电桥补偿）和自补偿（不容易实现）。
为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥。
第三章电容式传感器电容式传感器可分为变极距型、变面积型、变介电常数型。
电容式传感器测量电路：调频电路（电容转频率通过鉴频器转电压）、运算放大器（电容转电压）、二极管双T型交流电桥（电容转电压）、环形二极管充放电、脉冲宽度调制电路（电容转电压）第四章电感式传感器变磁阻式传感器（自感型）可分为变气隙型电感式传感器（常用）和变面积型电感式传感器。
为了提高灵敏度采用差动式电感传感器。
电涡流传感器分为高频反射式和低频透射式，测量电路有调频式和调幅式第五章压电式传感器压电材料有压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度。
X轴电轴纵向y轴机械轴横向产生压电效应z轴光轴不产生。
原始的压电陶瓷不具有压电性质，必须要有外加电场和压力（极化方向）的共同作用。
目前常用锆钛酸铅PZT。
传感器原理半导体式课件
词
光电传感器利用光敏元件将光信号转换为电信号，广泛应用于光照强度、光亮度、颜色等参数的检测 。
详细描述
光电传感器通常由光敏元件和辅助元件组成，当光敏元件受到光照时，其电阻值会发生变化，从而产 生电信号。在实践中，光电传感器常用于自动控制、机器人视觉、安全监控等领域。
热电偶传感器的应用实例
光电传感器在环境监测、图像识别、 光通信等领域有广泛应用，例如在自 动控制系统中用于检测物体位置和运 动速度等。
热电偶传感器
热电偶传感器利用热电效应，将温度差转换为电信号。热电偶传感器具有测量精 度高、稳定性好、响应速度快等优点。
热电偶传感器广泛应用于温度测量和控制系统，如工业炉温控制、发动机温度监 测等。
、噪声等环境参数。
在医疗健康领域，传感器 用于监测生理参数，如血
压、血糖、心电等。
02
半导体式传感器原理
半导体材料特性
半导体材料具有导电 性，介于金属和非金 属之间。
半导体材料中载流子 的种类和浓度对传感 器的性能有重要影响。
半导体材料的电阻率 随温度、光照、磁场 等外部条件的变化而 变化。
半导体式传感器工作原理
传感器分类
根据不同的分类标准，传感器可以分 为多种类型，如按工作原理可分为机 械式、光学式、半导体式等；按输出 信号可分为模拟式和数字式等。
传感器的工作原理
转换原理
传感器的工作原理是将输入的非电信号转换为电信号。不同的传感器采用不同 的转换原理，如电阻式传感器利用电阻随压力变化的原理，电容式传感器利用 电容量随位移变化的原理等。
未来发展方向
未来半导体式传感器的发展方向包 括高精度、高稳定性、微型化、集 成化、智能化和网络化等，同时将 不断拓展新的应用领域。
光电传感器利用光敏元件将光信号转换为电信号，广泛应用于光照强度、光亮度、颜色等参数的检测 。
详细描述
光电传感器通常由光敏元件和辅助元件组成，当光敏元件受到光照时，其电阻值会发生变化，从而产 生电信号。在实践中，光电传感器常用于自动控制、机器人视觉、安全监控等领域。
热电偶传感器的应用实例
光电传感器在环境监测、图像识别、 光通信等领域有广泛应用，例如在自 动控制系统中用于检测物体位置和运 动速度等。
热电偶传感器
热电偶传感器利用热电效应，将温度差转换为电信号。热电偶传感器具有测量精 度高、稳定性好、响应速度快等优点。
热电偶传感器广泛应用于温度测量和控制系统，如工业炉温控制、发动机温度监 测等。
、噪声等环境参数。
在医疗健康领域，传感器 用于监测生理参数，如血
压、血糖、心电等。
02
半导体式传感器原理
半导体材料特性
半导体材料具有导电 性，介于金属和非金 属之间。
半导体材料中载流子 的种类和浓度对传感 器的性能有重要影响。
半导体材料的电阻率 随温度、光照、磁场 等外部条件的变化而 变化。
半导体式传感器工作原理
传感器分类
根据不同的分类标准，传感器可以分 为多种类型，如按工作原理可分为机 械式、光学式、半导体式等；按输出 信号可分为模拟式和数字式等。
传感器的工作原理
转换原理
传感器的工作原理是将输入的非电信号转换为电信号。不同的传感器采用不同 的转换原理，如电阻式传感器利用电阻随压力变化的原理，电容式传感器利用 电容量随位移变化的原理等。
未来发展方向
未来半导体式传感器的发展方向包 括高精度、高稳定性、微型化、集 成化、智能化和网络化等，同时将 不断拓展新的应用领域。
第九章半导体传感器
3.
（1） MgCr2O4-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-电”转换器件, 它是负特性 半导瓷, MgCr2O4为Ｐ型半导体, 它的电阻率低, 阻值温度特性 好, 结构如图9 - 7所示, 在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多 孔金电极。
金电极与引出线烧结在一起, 为了减少测量误差, 在陶瓷 片外设置由镍铬丝制成的加热线圈, 以便对器件加热清洗, 排 除恶劣气氛对器件的污染。 整个器件安装在陶瓷基片上, 电 极引线一般采用铂-铱合金。
二、 气敏传感器的应用
气敏电阻元件种类很多, 按制造工艺上分烧结型、薄膜 型、厚膜型。
（1） 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属 氧化物气敏材料中, 经加热成型后低温烧结而成。 目前最常 用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200~300℃, SnO2气敏半导体对许多可燃性气体, 如氢、 一氧化碳、 甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
金属氧化物在常温下是绝缘的, 制成半导体后却显示气 敏特性。通常器件工作在空气中, 空气中的氧和NO2 这样的 电子兼容性大的气体, 接受来自半导体材料的电子而吸附负 电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元 件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束 缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。
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区和P区, 它们对电流也有贡献。 用能带图来表示上述 过程如图9 - 11（a）所示。 图中Ec表示导带底能量; Ev表示 价带顶能量。 “ ”表示带正电荷的空穴; “· ”表示电子。 IL表示光电流, 它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载 流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成, 其方向是由N区流 向P区, 即与无光照射P-N结的反向饱和电流方向相同。
（1） MgCr2O4-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-电”转换器件, 它是负特性 半导瓷, MgCr2O4为Ｐ型半导体, 它的电阻率低, 阻值温度特性 好, 结构如图9 - 7所示, 在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多 孔金电极。
金电极与引出线烧结在一起, 为了减少测量误差, 在陶瓷 片外设置由镍铬丝制成的加热线圈, 以便对器件加热清洗, 排 除恶劣气氛对器件的污染。 整个器件安装在陶瓷基片上, 电 极引线一般采用铂-铱合金。
二、 气敏传感器的应用
气敏电阻元件种类很多, 按制造工艺上分烧结型、薄膜 型、厚膜型。
（1） 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属 氧化物气敏材料中, 经加热成型后低温烧结而成。 目前最常 用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200~300℃, SnO2气敏半导体对许多可燃性气体, 如氢、 一氧化碳、 甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
金属氧化物在常温下是绝缘的, 制成半导体后却显示气 敏特性。通常器件工作在空气中, 空气中的氧和NO2 这样的 电子兼容性大的气体, 接受来自半导体材料的电子而吸附负 电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元 件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束 缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。
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区和P区, 它们对电流也有贡献。 用能带图来表示上述 过程如图9 - 11（a）所示。 图中Ec表示导带底能量; Ev表示 价带顶能量。 “ ”表示带正电荷的空穴; “· ”表示电子。 IL表示光电流, 它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载 流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成, 其方向是由N区流 向P区, 即与无光照射P-N结的反向饱和电流方向相同。
半导体物理第九章--半导体的光学性质
1 半导体的光吸收系数
用透射法测定光在媒质（半导体） 中的衰减时发现, 光的衰减与光 强成正比, 若引入正比例系数α （光吸收系数）
dI I x
dx
光强在半导体媒质中的衰减规律
I x I0 expx
I0表示在表面（x=0）处入射光的强度 α的物理意义: 光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值 的1/e时，光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数
本征吸收
0 :引起本征吸收的最低频率限；
cm1 100
0：本征吸收长波限
75
50
0
hc Eg
1.24eV Eg (eV )
[m]
25
0 4 8 12 16 μm
InSb的吸收谱
9.1 半导体的光吸收 9.1.2 本征吸收
3.光吸收时半导体中电子的跃迁要求
——能量守恒, 准动量守
恒。
很小
能量守恒和动量守恒E h h a E'
d2
vd
n E
n
V d
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
高阻光电材料中典型 的复合中心对光电导 的影响:这样的材料对 光电导起决定作用的 是非平衡多数载流子, 因为非平衡少数载流 子被陷在复合中心上, 等待与多数载流子的 复合。
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
定光照下，定态光电导Δσs（对应Δns）越大，其 光电导灵敏度也越高。
前面推导的小注入时的Δσs公式为:
s qbI nn
可以看出，如果考虑到光电导灵敏度的话，材料光 电导的弛豫时间（由寿命τ来体现）越大，光电导 的定态值也越大（即光电导灵敏度越高）。
9.2 半导体的光电导 9.2.2 定态光电导及其弛豫过程
用透射法测定光在媒质（半导体） 中的衰减时发现, 光的衰减与光 强成正比, 若引入正比例系数α （光吸收系数）
dI I x
dx
光强在半导体媒质中的衰减规律
I x I0 expx
I0表示在表面（x=0）处入射光的强度 α的物理意义: 光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值 的1/e时，光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数
本征吸收
0 :引起本征吸收的最低频率限；
cm1 100
0：本征吸收长波限
75
50
0
hc Eg
1.24eV Eg (eV )
[m]
25
0 4 8 12 16 μm
InSb的吸收谱
9.1 半导体的光吸收 9.1.2 本征吸收
3.光吸收时半导体中电子的跃迁要求
——能量守恒, 准动量守
恒。
很小
能量守恒和动量守恒E h h a E'
d2
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9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
高阻光电材料中典型 的复合中心对光电导 的影响:这样的材料对 光电导起决定作用的 是非平衡多数载流子, 因为非平衡少数载流 子被陷在复合中心上, 等待与多数载流子的 复合。
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
定光照下，定态光电导Δσs（对应Δns）越大，其 光电导灵敏度也越高。
前面推导的小注入时的Δσs公式为:
s qbI nn
可以看出，如果考虑到光电导灵敏度的话，材料光 电导的弛豫时间（由寿命τ来体现）越大，光电导 的定态值也越大（即光电导灵敏度越高）。
9.2 半导体的光电导 9.2.2 定态光电导及其弛豫过程
半导体传感器物理基础
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响应速度
传感器应能快速响应外部变化。
设计原则与流程
1. 确定应用需求
明确传感器需要检测的物理量。
2. 选择敏感材料
根据需求选择合适的半导体材料。
设计原则与流程
3. 设计结构
确定传感器的结构、尺寸和形状。
4. 优化设计
通过仿真和实验验证，对设计进行 优化。
5. 制造与测试
将设计转化为实际产品，并进行性 能测试。
线性范围
传感器输入与输出之间保持线 性关系的范围。
稳定性
传感器在长时间内保持性能不 变的能力。
灵敏度
传感器输出变化量与输入变化 量的比值，表示传感器对外部 变化的响应程度。
分辨率
传感器能够检测到的最小输入 变化量。
响应速度
传感器对外部变化的响应速度， 即从静态到动态所需的时间。
05
半导体传感器应用实例
制造工艺与材料
薄膜沉积
通过物理或化学方法在衬底上沉积敏感材 料。
常用材料
硅、锗、硫化铅等半导体材料常用于制造 半导体传感器。
光刻与刻蚀
将设计好的图案转移到衬底上，形成传感 器的结构。
封装与测试
将传感器封装在适当的壳体中，并进行性 能测试。
掺杂与退火
对材料进行掺杂和热处理，以改变其电学 性质。
传感器性能参数
分类
根据工作原理和应用领域，半导体传 感器可分为温度传感器、压力传感器 、磁场传感器等。
工作原理与特点
工作原理
半导体传感器的工作原理主要基于半导体的电阻随物理量变 化的特性。例如，温度传感器利用半导体的电阻随温度变化 的特性，压力传感器利用半导体的压阻效应等。
特点
第九章半导体异质结结构
第九章半导体异质结 结构
汇报人：XX
目录
• 异质结基本概念与特性 • 异质结制备技术与方法 • 异质结器件物理基础 • 异质结在光电器件中应用 • 异质结在微纳电子器件中应用 • 异质结性能优化与未来发展趋势
01
异质结基本概念与特性
异质结定义及分类
定义
由两种或两种以上不同半导体材料组 成的结，称为异质结。
异质结界面态与缺陷
界面态
异质结界面处存在悬挂键、界面电荷等界面态，对异质结的电学性能和稳定性 产生重要影响。
缺陷
异质结在制备过程中可能引入位错、层错等缺陷，影响异质结的晶体质量和电 学性能。
典型异质结材料及性质
Si-Ge异质结
具有高迁移率、低噪声等优点，广泛应用于高速 、高频电子器件。
GaAs-AlGaAs异质结
异质结发光二极管原理
通过异质结的能带结构和载流子限制作用，实现电子 和空穴的复合发光。
常见异质结发光二极管结构
如GaN基异质结发光二极管、量子点/有机物异质结发 光二极管等，具有高亮度、高色纯度等优点。
光电探测器中的异质结结构
异质结光电探测器原理
利用异质结的能带结构和内建电场，实现光 信号到电信号的转换。
和选择性。
MEMS器件
03
将异质结结构与MEMS技术相结合，实现微型化、集成化的生
物传感器件。
其他微纳电子器件中的异质结应用
光电探测器
利用异质结的能带结构和光电效应，实现高性能的光电转换。
太阳能电池
通过设计异质结的能级匹配和光吸收特性，提高太阳能电池的转 换效率。
热电转换器件
利用异质结的热电效应，实现热能和电能之间的转换。
04
异质结在光电器件中应用
汇报人：XX
目录
• 异质结基本概念与特性 • 异质结制备技术与方法 • 异质结器件物理基础 • 异质结在光电器件中应用 • 异质结在微纳电子器件中应用 • 异质结性能优化与未来发展趋势
01
异质结基本概念与特性
异质结定义及分类
定义
由两种或两种以上不同半导体材料组 成的结，称为异质结。
异质结界面态与缺陷
界面态
异质结界面处存在悬挂键、界面电荷等界面态，对异质结的电学性能和稳定性 产生重要影响。
缺陷
异质结在制备过程中可能引入位错、层错等缺陷，影响异质结的晶体质量和电 学性能。
典型异质结材料及性质
Si-Ge异质结
具有高迁移率、低噪声等优点，广泛应用于高速 、高频电子器件。
GaAs-AlGaAs异质结
异质结发光二极管原理
通过异质结的能带结构和载流子限制作用，实现电子 和空穴的复合发光。
常见异质结发光二极管结构
如GaN基异质结发光二极管、量子点/有机物异质结发 光二极管等，具有高亮度、高色纯度等优点。
光电探测器中的异质结结构
异质结光电探测器原理
利用异质结的能带结构和内建电场，实现光 信号到电信号的转换。
和选择性。
MEMS器件
03
将异质结结构与MEMS技术相结合，实现微型化、集成化的生
物传感器件。
其他微纳电子器件中的异质结应用
光电探测器
利用异质结的能带结构和光电效应，实现高性能的光电转换。
太阳能电池
通过设计异质结的能级匹配和光吸收特性，提高太阳能电池的转 换效率。
热电转换器件
利用异质结的热电效应，实现热能和电能之间的转换。
04
异质结在光电器件中应用
固体物理第九章ppt
常用半导体材料：Si、Ge (IV族元素) 一．本征半导体与杂质半导体 二．半导体作为探测介质的物理性能 三．半导体探测器基本原理
西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan
9.1 半导体基本性质
半体的晶体结构
半导体材料均属具有一 定晶格结构材料，晶体材 料内部的原子（或离子） 均有规则的按一定方式排 列（原子排列的格式就叫 晶格）并有固定的熔点。
杂质类型：替位型，间隙型。
1) 替位型：III族元素，如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)等； V族 元素，如P(磷)、As(砷)、 Sb(锑) 等。 2) 间隙型：Li，可在晶格间运动。
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一、本征半导体和杂质半导体
3) 施主杂质(Donor impurities)与施主能级
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9.1 半导体基本性质
• 固体的导电性： 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。
• 导体、半导体、绝缘体的能带 由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生
变化。从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃 迁到另一个能级上。
一、本征半导体和杂质半导体
•N型（电子型）半导体： 导带内电子运动。 •P型（空穴型）半导体： 满带内空穴运动。 •载流子： 是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度 小，产生的 载流子数目就多；产生得越多，电子与空 穴复合的几率也越大。 在一定温度下，产生率和复合 率达到相对平衡，半导体中保持一 定数目的载流子。
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9.1 半导体基本性质
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9.1 半导体基本性质
半体的晶体结构
半导体材料均属具有一 定晶格结构材料，晶体材 料内部的原子（或离子） 均有规则的按一定方式排 列（原子排列的格式就叫 晶格）并有固定的熔点。
杂质类型：替位型，间隙型。
1) 替位型：III族元素，如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)等； V族 元素，如P(磷)、As(砷)、 Sb(锑) 等。 2) 间隙型：Li，可在晶格间运动。
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一、本征半导体和杂质半导体
3) 施主杂质(Donor impurities)与施主能级
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9.1 半导体基本性质
• 固体的导电性： 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。
• 导体、半导体、绝缘体的能带 由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生
变化。从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃 迁到另一个能级上。
一、本征半导体和杂质半导体
•N型（电子型）半导体： 导带内电子运动。 •P型（空穴型）半导体： 满带内空穴运动。 •载流子： 是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度 小，产生的 载流子数目就多；产生得越多，电子与空 穴复合的几率也越大。 在一定温度下，产生率和复合 率达到相对平衡，半导体中保持一 定数目的载流子。
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9.1 半导体基本性质
第九章集成化传感器和微系统.
第九章 集成化传感器和微系统
•9-1 概述
•9-1-1 传感器的微型化、集成化 •9-1-2 多功能化和多参数集成 •9-1-3 传感器与微型计算机结合
•9-2 集成化传感器微细加工技术
2
9-1 概述
• 9-1-1 微型化、集成化
• 以前大多数传感器和后接放大电路是分立的 • 随着半导体技术的发展，以硅片为基础的固态传感
4 离子溅射镀膜技术
• 原理：使真空室内的剩余气体（如氩气）在高电压下
电离，电离后的离子在电场作用下向阴极靶加速运动， 入靶离子将靶材料的原子或分子溅射出靶表面，然后这 种被溅射出的原子或分子以从靶中逸出的能量淀积在基 片（阳极）上，形成薄膜。
• 过程可分为：
离子的产生； 离子对靶的轰击溅射； 靶材料溅射离子在基片上的沉积。
• 硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片； 胶盘
• 排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵 • 边缘清洗（去边）
匀胶后烘
• 使光刻胶中的大部分溶剂蒸发。 • 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光且
影响黏附性 • 曝光后烘时间和温度取决于工艺条件 • 过烘:聚合,光敏性降低 • 后烘不足:影响黏附性和曝光
– 气相方法制膜：化学气相淀积（CVD）和物 理气相淀积（PVD）
– 液相方法制膜：包括化学膜、电镀、浸喷涂等。
47
1 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposotion）
• 使用加热、等离子体或紫外线等各种能源，使气态物质经化学 反应（热解或化学合成），形成固态物质淀积在衬底上的方法。
51
2 硅的热氧化制膜技术
• 硅的常压热氧化技术
一般分为水汽氧化、干氧氧化、湿氧氧化。
• 硅的高压热氧化技术
•9-1 概述
•9-1-1 传感器的微型化、集成化 •9-1-2 多功能化和多参数集成 •9-1-3 传感器与微型计算机结合
•9-2 集成化传感器微细加工技术
2
9-1 概述
• 9-1-1 微型化、集成化
• 以前大多数传感器和后接放大电路是分立的 • 随着半导体技术的发展，以硅片为基础的固态传感
4 离子溅射镀膜技术
• 原理：使真空室内的剩余气体（如氩气）在高电压下
电离，电离后的离子在电场作用下向阴极靶加速运动， 入靶离子将靶材料的原子或分子溅射出靶表面，然后这 种被溅射出的原子或分子以从靶中逸出的能量淀积在基 片（阳极）上，形成薄膜。
• 过程可分为：
离子的产生； 离子对靶的轰击溅射； 靶材料溅射离子在基片上的沉积。
• 硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片； 胶盘
• 排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵 • 边缘清洗（去边）
匀胶后烘
• 使光刻胶中的大部分溶剂蒸发。 • 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光且
影响黏附性 • 曝光后烘时间和温度取决于工艺条件 • 过烘:聚合,光敏性降低 • 后烘不足:影响黏附性和曝光
– 气相方法制膜：化学气相淀积（CVD）和物 理气相淀积（PVD）
– 液相方法制膜：包括化学膜、电镀、浸喷涂等。
47
1 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposotion）
• 使用加热、等离子体或紫外线等各种能源，使气态物质经化学 反应（热解或化学合成），形成固态物质淀积在衬底上的方法。
51
2 硅的热氧化制膜技术
• 硅的常压热氧化技术
一般分为水汽氧化、干氧氧化、湿氧氧化。
• 硅的高压热氧化技术
半导体物理第九章
4 异质结
1. 异质结及其能带 2. 异质结的电流输运
3. 异质结的应用
4. 半导体的超晶格
1异质结及其能带
概念
由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结，通常称为同质结。
而由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为 异质结。 异质结的结构特点 异质结是由两种不同的半导体单晶材料形成的， 根据这两种半导体单晶材料的导电类型分类
27
② 正反向势垒情形 这时在交界面处禁带宽度大的半导体的势垒“尖峰”，高于异质结势
垒区外的禁带宽度小的半导体材料的导带底，称为正反向势垒。
qVB= qVD2－ (EC –qVD1) 热平衡时，异质结势垒区两侧克服各自势垒到对方去的电子数相等。
(a)零偏压和(b)正向偏压下正反向势垒扩散和发射模型能带图
o
qVD
如在杂质浓度ND1>>ND2 ，类似于计算金属半导体接触间的电 qN 容方法，得到每单位面积结电容公式为： C [ 2 D 2 ]1 / 2
2(VD V )
21
2 异质结的电流输运机构
影响异质结电流运输机制的特殊原因
形成异质结的两种半导体的交界面处能带是不连续 的。
两种半导体材料的晶格结构、晶格常数、热膨胀系 数的不同和工艺技术等原因，会在交界曲处引入界 面态及缺陷。
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
24
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
正偏下
25
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
P型区注入的小数载流子浓度连续性运动方程
解之得
26
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
1. 异质结及其能带 2. 异质结的电流输运
3. 异质结的应用
4. 半导体的超晶格
1异质结及其能带
概念
由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结，通常称为同质结。
而由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为 异质结。 异质结的结构特点 异质结是由两种不同的半导体单晶材料形成的， 根据这两种半导体单晶材料的导电类型分类
27
② 正反向势垒情形 这时在交界面处禁带宽度大的半导体的势垒“尖峰”，高于异质结势
垒区外的禁带宽度小的半导体材料的导带底，称为正反向势垒。
qVB= qVD2－ (EC –qVD1) 热平衡时，异质结势垒区两侧克服各自势垒到对方去的电子数相等。
(a)零偏压和(b)正向偏压下正反向势垒扩散和发射模型能带图
o
qVD
如在杂质浓度ND1>>ND2 ，类似于计算金属半导体接触间的电 qN 容方法，得到每单位面积结电容公式为： C [ 2 D 2 ]1 / 2
2(VD V )
21
2 异质结的电流输运机构
影响异质结电流运输机制的特殊原因
形成异质结的两种半导体的交界面处能带是不连续 的。
两种半导体材料的晶格结构、晶格常数、热膨胀系 数的不同和工艺技术等原因，会在交界曲处引入界 面态及缺陷。
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
24
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
正偏下
25
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
P型区注入的小数载流子浓度连续性运动方程
解之得
26
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
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第 9章
半导体式传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构
(1) 电阻型半导体气敏传感器
在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的， 因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器; 加热时间2～3分钟，加热电源一般为5V; 加热方式分为内热式和旁热式。
第 9章
N型半导体与气体接触 时的氧化还原反映
第 9章
半导体式传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理 (1) 电阻型半导体气敏传感器 组成：敏感元件、加热器、外壳； 制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。 气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加 敏感材料和催化剂烧结，这些金属氧化物 在常温下是绝缘的，制成半导体后显示气 敏特性。 金属氧化物有： • N型半导体，如：SnO2 Fe2O3 ZnO TiO 敏感元件
甲烷传感器
NH3传感器
氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
汽车尾气分析
有毒气体传感器的使用
第9章 半导体传感器
9.1 气敏传感器 9.1.3 半导体气敏传感器应用
传感器原理及应用
防 酒 后 驾 车 汽 车 点 火 电 路
•无酒精时，S闭合，气敏电阻高，Ua高Uo低，定时器输出高，J2释放，J1闭合，点火； •有酒精时，气敏电阻下降，Ua低Uo高，定时器输出低，J2吸合，J2-1断开，不启动； •若司机拔出气敏传感器，J1断电J1-1断开无法启动。J1-2气敏元件加热回路。 •继电器J1-1、J1-2常开接点， J2-1 常闭接点， J2-2常接VD1（绿灯），VD2（红 灯）。
第 9章
半导体式传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理 (1) 电阻型半导体气敏传感器
当氧化型气体吸附到N型半导体上， 气体与半导体接触时情况 N型半导体多电子 半导体的载流子减少，电阻率上升； 当氧化型气体吸附到P型半导体上， P型半导体多空穴 半导体的载流子增多，电阻率下降； 当还原型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降； 当还原型气体吸附到P型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升；
空气中—氧化作用—被氧电子吸附—N型半导体电子减少电阻增加
•
电阻减小，当气敏元件与被测气体接触时会与吸附的氧发 生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加， 使元件电阻减小。
气体接触—吸附气体—氧发生反应—电子释放—电导增加
电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述： 利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值 变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和 浓度!!!
（6）初期稳定时间
一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然 后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳 定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放 时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长 。在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达 最大值。
（4）气敏元件的响应时间
表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从 气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件 的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的 63 ％时为止，所需时间称 为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号 tr 表示。
（5）气敏元件的恢复时间
表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从 气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空 气中阻值的63％时所需时间。
气敏传感器外形
口臭传感器
酒精传感器
其他可燃性气体传感器
第 9章
半导体式传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理
(1) 电阻型半导体气敏传感器 电阻型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； 如： 氧气具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气 体——电子接收性气体； 氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附倾向的气 体，被称为还原型气体——电子供给性气体。
• P型半导体，如：CoO2 PbO
MnO2
CrO3
第 9章
半导体式传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理 通常器件工作在空气中 • 高阻状态，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（N型 半导体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导 电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态；
第 9章
半导体式传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (2) 非电阻型半导体气敏传感器 1）MOS二极管气敏元件（电容—电压） • 在P型硅氧化层上蒸发一层钯（Pd）金属膜作 电极。氧化层（SiO2）电容Ca是固定不变的。 而硅片与氧化层电容Cs是外加电压的功函数， 总电容C也是偏压的函数。MOS二极管的等效 MOS二极管 电容C随电压U变化。 气敏元件结构 • 金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd 吸附金属膜以后，使Pd的功函数下降，使MOS 管C—U特性向左平移，利用这一特性用于测 定氢气的浓度。 MOS二极管气敏
第9章 半导体传感器
9.1 气敏传感器 9.1.3 半导体气敏传感器应用 气体浓度检测
传感器原理及应用
第9章 半导体传感器
9.1 气敏传感器 9.1.3 半导体气 敏传感器应用
LM3914 显示驱动集成电路 内部电路图
传感器原理及应用
酒精测试仪
呼气管
家庭用煤气报警器
家庭用液化气 报警器
一氧化碳传感器
IDS UGS
UT
管 结 构
第9章 半导体传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (2) 非电阻型半导体气敏传感器 3）肖特基二极管 金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒， 构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半 导体金属的电子流增加，正向导通电阻极小 UD＜0.2，加负偏压时UD 很大，相当开路几 乎无电流。当金属与半导体界面有气体时， 势垒降低，电流变化（上升）。 金属与半导体界面吸附气体时，影响半导 体禁带宽度Eg，二极管正向偏压条件下，气 体浓度 电流 输出电压UR 。 非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气 浓度测量。
烟气
电化学传感器
可渗入气体膜
外部电路
工作 电极
参考 电极 counter electrode
sensor flow 电解溶液 可渗入气体膜
新鲜空气
烟气分析仪
第9章 半导体传感器
9.2 湿敏传感器
传感器原理及应用
湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我们的生活 有很大影响，潮湿—发霉，干燥—不舒服。湿度传感器主要应 用于湿度检测控制、军械仓库、粮仓、水果保鲜等场合。 最 早人们用头发随湿度变化而伸长或缩短现象做毛发湿度计，逐 渐有了电阻湿度计，半导体湿度计是近年来才出现的。
第9章 半导体传感器
9.1 气敏传感器 9.1.3 半导体气敏传感器应用
传感器原理及应用
红外多种气体检测系统动画演示
红外吸收 (IR-process)
测量原理
气体 气体 IR-探测器
CO2
CO2
IR-散热器 (lamp)
可吸收CO2的过滤器接口
CO, SO2 or ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱOx传感器(3 electrodes)
半导体式传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构
(1) 电阻型半导体气敏传感器
电极 SnO2烧结体
3 4
1 2 3 4
1 2
(a)结构
(b)符号
内热式气敏器件结构及符号
第 9章
半导体式传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构
第9章 半导体传感器
概述
湿度传感器
传感器原理及应用
木材烘干
纸 品
芯片生产要求最高的湿度稳定性
第9章 半导体传感器
概述
传感器原理及应用
湿敏 传感器
气 敏 传 感 器
第9章 半导体传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传感器；
如： 工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测； 环境保护，有害、有毒气体监测； 酒后驾车，乙醇浓度检测； 牙医口臭检查 气敏传感器灵敏度较高，达10-6～10-3数量级，可检 测到 1/10 爆炸下限的可燃气体； 由于气体种类很多，性质各不相同，不可能用同一种 气体传感器测量所有气体，按半导体的物理特性，可分为 电阻型和非电阻型。
传感器原理及应用
第9章 半导体式传感器
第9章 半导体传感器
传感器原理及应用
主要内容：
9.1 气敏传感器 9.2 湿敏传感器 9.3 色敏传感器
第9章 半导体传感器
概述
传感器原理及应用
半导体传感器是典型的物理型传感器，它是
利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直接 转换，如改变半导体内载流子的数目。 凡是用半导体材料制作的传感器都属于半导体 传感器。 其中包括：光敏电阻、光敏二极管、 光敏晶体管、霍尔元件、磁敏元件、压阻元件、 气敏、湿敏等等。
元件等效电路
第9章 半导体传感器
传感器原理及应用
9.1 气敏传感器 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 2）MOSFET气敏元件 Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起的Pd功函数降低。 当栅极（G）源极（S）间加正向偏压 UGS>UT 阀值时，栅极氧 化层下的硅从P变为N型，N型区将S（源）和D（漏）连接起来， 形成导电通道（N型沟道）此时MOSFET进入工作状态。 钯