第11章z—半導(dǎo)體敏感元件

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1、第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件11.1Z—半導(dǎo)體敏感元件的11.2溫敏Z—元件的伏安特性11.3基本應(yīng)用電路11.4應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基本原理11.5力敏Z—元件簡(jiǎn)介第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件11.1Z—半導(dǎo)體敏感元件的由來(lái)與特點(diǎn)11.1.1由來(lái)自1993年以來(lái),Z—元件（Z—元件是俄羅斯傳感器專(zhuān)家V．D．Zotov在20世紀(jì)80年代中期獨(dú)家研制的專(zhuān)利技術(shù),在全世界范圍內(nèi)無(wú)類(lèi)似產(chǎn)品,屬?lài)?guó)際首創(chuàng)的高新技術(shù)前沿產(chǎn)品）在世界和我國(guó)引起轟動(dòng)。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件這種元件正向輸入直流電壓,可得到幅值為輸入電壓20%～40%的直流脈沖,頻率隨溫度、濕度、磁場(chǎng)、流量、光強(qiáng)、射

2、線等物理量變化,無(wú)需前置放大器和A/D轉(zhuǎn)換直接得到數(shù)字信號(hào)（準(zhǔn)確地說(shuō)是脈沖信號(hào)）。它性能獨(dú)特,完全區(qū)別于一般的半導(dǎo)體二極管和無(wú)源敏感元件(如熱敏電阻)。它是一種有源非線性敏感元件。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件Z—半導(dǎo)體敏感元件(簡(jiǎn)稱(chēng)Z—元件)是20世紀(jì)末剛剛出現(xiàn)的高新技術(shù)前沿產(chǎn)品。由于它特性新穎、市場(chǎng)潛力大、具有廣闊的應(yīng)用前景,已引起國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注和極大的興趣。Z—元件主要有溫敏、光敏和磁敏三種,目前力敏Z—元件也已應(yīng)用。本章詳細(xì)介紹溫敏Z—元件的結(jié)構(gòu)、特性、應(yīng)用電路、工作原理和應(yīng)用開(kāi)發(fā)方向,以供廣大讀者了解Z—元件,正確使用Z—元件以備開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)參考。本章還將簡(jiǎn)單介紹力敏Z—元

3、件。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件Z—元件具有一系列優(yōu)點(diǎn),在信息產(chǎn)業(yè)界受到高度重視。它的應(yīng)用電路極其簡(jiǎn)單,輸出幅值大、靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng),可分別輸出模擬、開(kāi)關(guān)或頻率三種信號(hào)。當(dāng)輸出數(shù)字量信號(hào)時(shí),它不需前置放大和A／D轉(zhuǎn)換就可與計(jì)算機(jī)直接通訊,特別適合研制新一代微型三端數(shù)字傳感器。這種新型數(shù)字傳感器可使信息系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,有助于降低成本,提高可靠性,縮短研制周期,為用戶(hù)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大的方便。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件溫敏Z—元件的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊,幾乎可涉及國(guó)計(jì)民生各個(gè)部門(mén)。預(yù)期在航空航天、機(jī)器人、火災(zāi)探測(cè)、保安報(bào)警、家用電器、汽車(chē)電子、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)氣象、光纖通

4、訊、電力系統(tǒng)、儀器儀表、兒童玩具等領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的應(yīng)用。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件Z—元件在正偏使用時(shí),它具有一條“L”型伏安特性,在電壓(或在溫、光、磁等外部激勵(lì)下)控制下,可從高阻狀態(tài)迅速經(jīng)過(guò)負(fù)阻區(qū)跳變到低阻狀態(tài)。在反偏使用時(shí),與常規(guī)PN結(jié)特性相似,但反向擊穿電壓很高,反向漏電流很小,具有低功耗特點(diǎn)。Z-元件能利用極其簡(jiǎn)單的電路,設(shè)定在不同的偏置狀態(tài),選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn),可在溫、光、磁等外部激勵(lì)下,迅速產(chǎn)生靈敏度很高的與外部激勵(lì)物理量成比例的開(kāi)關(guān)量輸出、頻率脈沖輸出或低功耗模擬量輸出,這種優(yōu)異的特性展示了Z—元件的開(kāi)發(fā)潛力和應(yīng)用前景。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件11.1.2特

5、點(diǎn)Z—半導(dǎo)體敏感元件是一種新型半導(dǎo)體敏感元件,它與其它敏感元件相比有如下突出的優(yōu)點(diǎn):(1)體積極小,特別適合研制微型電子裝置。(2)反應(yīng)靈敏,特別適合研制快速反應(yīng)的電子裝置。(3)工作電壓低,工作電流小,特別適合研制便攜式電子裝置和本質(zhì)安全型儀器。(4)Z—元件應(yīng)用電路目前在世界范圍內(nèi)是最簡(jiǎn)單的,可大幅度降低整機(jī)成本,而且由于它焊點(diǎn)少,因而故障率低,可提高整機(jī)可靠性。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件(5)Z—元件應(yīng)用電路統(tǒng)一規(guī)范,測(cè)量溫度、磁場(chǎng)、光強(qiáng)等參數(shù)均用同一種簡(jiǎn)單電路,為用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)提供了極大的方便。(6)Z—元件可直接輸出頻率信號(hào),可與計(jì)算機(jī)直接連接,免除繁瑣昂貴的中間環(huán)節(jié),為

6、用戶(hù)降低整機(jī)成本提供了重要的前提。(7)Z—元件是研制新一代“數(shù)字傳感器”的理想元件,隨著數(shù)字傳感器的不斷出現(xiàn),在不久的將來(lái)可能促成傳感器、儀器儀表結(jié)構(gòu)和工業(yè)測(cè)控方式的重大變革。(8)可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件11.2溫敏Z—元件的伏安特性Z—元件是用電阻率為40～60?·cm,厚度為50μm的N型硅單晶,采用平面擴(kuò)散工藝進(jìn)行Al擴(kuò)散以形成PN結(jié),然后用AuCl·4HO溶液在高溫下進(jìn)行Au的擴(kuò)散。2制成的硅片進(jìn)行單面打磨后,用化學(xué)方法鍍上Ni電極以形成歐姆接觸,然后劃片切割,制取臺(tái)面以減少漏電流,最后進(jìn)行引線焊接和封裝。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件實(shí)際上Z—元件可以

7、簡(jiǎn)化為一個(gè)PN結(jié)+敏感層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該敏感層是由元件的擴(kuò)金工藝制成的。對(duì)于Au在Si中的電學(xué)性質(zhì)和對(duì)于摻金硅熱敏電阻器的研究表明:Au在Si中為具有較大的擴(kuò)散系數(shù)的深能級(jí)雜質(zhì),在距離價(jià)帶頂0.35eV處有一施主能級(jí),在距離帶底0.45eV有一受主能級(jí)。無(wú)論是在N型硅還是在P型硅中Au均起到復(fù)合中心的作用,可以減少Si中的載流子濃度和提高電阻率并形成熱敏電阻。該熱敏層具有典型的體效應(yīng)半導(dǎo)體的特征。第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件溫敏Z—元件是一種兩端子有限熱敏元件,它在-25