半导体传感器的原理应用及发展

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。

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自动化、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自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.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ρB=ρ0（1+0.273μ²B²）

式中 B---磁感应强度；

μ---载流子迁移率；

ρ0--- 零磁场下的电阻率；

ρB---磁感应强度为B时的电阻率。

设电阻率的变化为△ρ=ρB-ρ0，则电阻率的相对变化率为

△ρ/ρ0=0.273μ²B²=K﹙μB﹚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、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.磁敏二极管

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自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，外界电场和自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，外界电场和自建电场进一步加强，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I0。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-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＋区接正电极，N＋区接负电极，即给磁敏二极管加上正电压时，P＋区向i区注人空穴，N＋区向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＋区和P＋区而产生电流，只有很少一部分载流子在i区或r区复合。此时i区有固定的阻值，器件呈稳定状态。若给磁敏二极管外加一个磁场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区中的载流子数目减少，i区电阻增大，该区的电压降也增加，又使P＋与N＋

结的结压降减小，导致注人到i区的载流子数目减少。其结果是使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-时，载流子在洛仑兹力的作用下均偏离复合区r。其偏离，区的结果与加正向磁场时的情况恰恰相反，此时磁敏二极管的正向电流增大，电阻减小。

无磁场加正向磁场加反向磁场

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．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,由于自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IIIV 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

150Ω~500Ω之间。对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右，一般采用恒流供电法。

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PN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.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hf大于硅的禁带宽度E g，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