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)用開發(fā)的基本原理11.5力敏Z—元件簡介第11章Z—半導(dǎo)體敏感元件11.1Z—半導(dǎo)體敏感元件的由來與特點11.1.1由來自1993年以來,Z—元件（Z—元件是俄羅斯傳感器專家V．D．Zotov在20世紀(jì)80年代中期獨家研制的專利技術(shù),在全世界范圍內(nèi)無類似產(chǎn)品,屬國際首創(chuàng)的高新技術(shù)前沿產(chǎn)品）在世界和我國引起轟動。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、流量、光強、射

2、線等物理量變化,無需前置放大器和A/D轉(zhuǎn)換直接得到數(shù)字信號（準(zhǔn)確地說是脈沖信號）。它性能獨特,完全區(qū)別于一般的半導(dǎo)體二極管和無源敏感元件(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(簡稱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、市場潛力大、具有廣闊的應(yīng)用前景,已引起國內(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—元件以備開發(fā)新產(chǎn)品時參考。本章還將簡單介紹力敏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,在信息產(chǎn)業(yè)界受到高度重視。它的應(yīng)用電路極其簡單,輸出幅值大、靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強,可分別輸出模擬、開關(guān)或頻率三種信號。當(dāng)輸出數(shù)字量信號時,它不需前置放大和A／D轉(zhuǎn)換就可與計算機直接通訊,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)大為簡化,有助于降低成本,提高可靠性,縮短研制周期,為用戶新產(chǎn)品開發(fā)帶來很大的方便。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,幾乎可涉及國計民生各個部門。預(yù)期在航空航天、機器人、火災(zāi)探測、保安報警、家用電器、汽車電子、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)玫綇V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,它具有一條“L”型伏安特性,在電壓(或在溫、光、磁等外部激勵下)控制下,可從高阻狀態(tài)迅速經(jīng)過負(fù)阻區(qū)跳變到低阻狀態(tài)。在反偏使用時,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。Z-元件能利用極其簡單的電路,設(shè)定在不同的偏置狀態(tài),選擇合適的靜態(tài)工作點,可在溫、光、磁等外部激勵下,迅速產(chǎn)生靈敏度很高的與外部激勵物理量成比例的開關(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:(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)是最簡單的,可大幅度降低整機成本,而且由于它焊點少,因而故障率低,可提高整機可靠性。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,測量溫度、磁場、光強等參數(shù)均用同一種簡單電路,為用戶的二次開發(fā)提供了極大的方便。(6)Z—元件可直接輸出頻率信號,可與計算機直接連接,免除繁瑣昂貴的中間環(huán)節(jié),為

6、用戶降低整機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),在不久的將來可能促成傳感器、儀器儀表結(jié)構(gòu)和工業(yè)測控方式的重大變革。(8)可實現(xiàn)非接觸測量。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)體敏感元件實際上Z—元件可以

7、簡化為一個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。對于Au在Si中的電學(xué)性質(zhì)和對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)的深能級雜質(zhì),在距離價帶頂0.35eV處有一施主能級,在距離帶底0.45eV有一受主能級。無論是在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