1、第四章第四章 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 1.半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 2.半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)物性 3.半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 4.半導(dǎo)體敏感元件半導(dǎo)體敏感元件 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 v什么是半導(dǎo)

2、體什么是半導(dǎo)體 按不同的標(biāo)準(zhǔn)，有不同的分類方式。按不同的標(biāo)準(zhǔn)，有不同的分類方式。 按固體的按固體的導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力區(qū)分，可以區(qū)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體區(qū)分，可以區(qū)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 表表1.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的電阻率范圍導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的電阻率范圍 材料材料導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體 電阻率電阻率(cm) 10-310-3109109 常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(conductor)與絕緣體與絕緣體(insulator)之間的材料之間的材料 微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力(摻雜效應(yīng)摻雜效應(yīng)) 以純硅中每以

3、純硅中每100萬個(gè)硅原子摻進(jìn)一個(gè)萬個(gè)硅原子摻進(jìn)一個(gè)族雜質(zhì)（如磷）為例，這時(shí)硅的純度族雜質(zhì)（如磷）為例，這時(shí)硅的純度 仍高達(dá)仍高達(dá)99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約，但電阻率在室溫下卻由大約214,000cm降至降至0.2cm以下以下 4 半導(dǎo)體物理發(fā)展進(jìn)程半導(dǎo)體物理發(fā)展進(jìn)程 半導(dǎo)體物理的發(fā)展序幕半導(dǎo)體物理的發(fā)展序幕 晶態(tài)半導(dǎo)體物理晶態(tài)半導(dǎo)體物理 原子排列從有序向無序的轉(zhuǎn)變?cè)优帕袕挠行蛳驘o序的轉(zhuǎn)變 非晶態(tài)半導(dǎo)體物理非晶態(tài)半導(dǎo)體物理 材料性質(zhì)從體內(nèi)向表面的轉(zhuǎn)變材料性質(zhì)從體內(nèi)向表面的轉(zhuǎn)變 半導(dǎo)體表面物理半導(dǎo)體表面物理 能帶特征從自然向人工的轉(zhuǎn)變能帶特征從自然向人工的轉(zhuǎn)變 半導(dǎo)體超晶格物理半

4、導(dǎo)體超晶格物理 體系結(jié)構(gòu)從三維向零維的轉(zhuǎn)變體系結(jié)構(gòu)從三維向零維的轉(zhuǎn)變 納米半導(dǎo)體物理納米半導(dǎo)體物理 元素組成從原子向分子的轉(zhuǎn)變?cè)亟M成從原子向分子的轉(zhuǎn)變 有機(jī)半導(dǎo)體物理有機(jī)半導(dǎo)體物理 晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈長(zhǎng)程有晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈長(zhǎng)程有 序的狀態(tài)序的狀態(tài) 硫系玻璃、非晶硅等。硫系玻璃、非晶硅等。 與晶態(tài)相比具有大量的與晶態(tài)相比具有大量的 缺陷。缺陷在禁帶中引缺陷。缺陷在禁帶中引 入局域能級(jí)，影響電入局域能級(jí)，影響電/ 光性質(zhì)光性質(zhì) 固體表面附近的幾個(gè)原固體表面附近的幾個(gè)原 子層內(nèi)具有許多異于體子層內(nèi)具有許多異于體 內(nèi)的對(duì)稱性質(zhì)內(nèi)的對(duì)稱性質(zhì) 兩種不同組元以幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米的薄層交替生長(zhǎng)兩種不同組元以幾個(gè)

5、納米到幾十個(gè)納米的薄層交替生長(zhǎng) 并保持嚴(yán)格周期性的多層膜并保持嚴(yán)格周期性的多層膜 ，可制造微波器件，可制造微波器件 1. 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 半導(dǎo)體性質(zhì)的元素或化合物等材料由于測(cè)量對(duì)象導(dǎo)致半導(dǎo)體性質(zhì)的元素或化合物等材料由于測(cè)量對(duì)象導(dǎo)致 半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生較大的變化被廣泛用做敏感材料。半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生較大的變化被廣泛用做敏感材料。 這些現(xiàn)象雖然介于各種物理、化學(xué)現(xiàn)象之間，但無論這些現(xiàn)象雖然介于各種物理、化學(xué)現(xiàn)象之間，但無論 如何最終都可轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。如何最終都可轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 對(duì)采用半導(dǎo)體材料的敏感元件若按測(cè)量對(duì)象進(jìn)行分類，對(duì)采用半導(dǎo)體材料的敏感元件若按測(cè)量對(duì)象進(jìn)行分類， 主要有主要

6、有光光、溫度溫度、磁磁、形變形變、濕度濕度、氣體氣體、生物生物等類等類 敏感元件。敏感元件。 多數(shù)正利用多數(shù)正利用半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)向向集成化、多功能化集成化、多功能化 方向發(fā)展。方向發(fā)展。 溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降（溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降（NTC） 如室溫附近的純硅如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加，溫度每增加8，電阻率相應(yīng)地降低，電阻率相應(yīng)地降低50% 左右左右 適當(dāng)波長(zhǎng)的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力適當(dāng)波長(zhǎng)的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力(光電效應(yīng)光電效應(yīng)) 如在絕緣襯底上制備的硫化鎘如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時(shí)的

7、暗電阻為幾十薄膜，無光照時(shí)的暗電阻為幾十M，當(dāng)，當(dāng) 受光照后電阻值可以下降為幾十受光照后電阻值可以下降為幾十K 此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場(chǎng)、磁場(chǎng)等的作用而改此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場(chǎng)、磁場(chǎng)等的作用而改 變變(霍爾效應(yīng)等霍爾效應(yīng)等) 重要特性：重要特性： 溫度傳感器溫度傳感器 光電式傳感器光電式傳感器 電場(chǎng)電場(chǎng)/磁傳感器磁傳感器 1. 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 用于敏感元件的半導(dǎo)體材料多是用于敏感元件的半導(dǎo)體材料多是無機(jī)物無機(jī)物，但是，但是，有機(jī)有機(jī) 物物中也有顯示半導(dǎo)體性質(zhì)的，且可望作為未來的敏感中也有顯示半導(dǎo)體性質(zhì)的，且可望作為未來的敏感 材料。材料。 除典型的單除典型的單一

8、元素半導(dǎo)體一元素半導(dǎo)體以外，還有以外，還有二元化合物半導(dǎo)二元化合物半導(dǎo) 體體，還有，還有多元化合物多元化合物，這就有可能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的物性，這就有可能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的物性 控制。控制。 從原子排列狀態(tài)來區(qū)分半導(dǎo)體，則可大致分為具有長(zhǎng)從原子排列狀態(tài)來區(qū)分半導(dǎo)體，則可大致分為具有長(zhǎng) 程有序的程有序的晶體晶體以及在短距離上具有與晶體相同的規(guī)則以及在短距離上具有與晶體相同的規(guī)則 性但在長(zhǎng)距離上原子排列不具有規(guī)則性的性但在長(zhǎng)距離上原子排列不具有規(guī)則性的非晶非晶 。 半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體固溶體 1. 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 II BIII AIV AV AVI A 5B6C7N8O 13Al14Si15

9、P16S 30Zn31Ga32Ge33As34Se 48Cd49In50Sn51Sb52Te 80Hg81Tl82Pb83Bi84Po 元素周期表中元素周期表中A族與族與A族間的元素與半導(dǎo)體的關(guān)系族間的元素與半導(dǎo)體的關(guān)系 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體/化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 1. 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 高純度、無缺陷的高純度、無缺陷的 元素半導(dǎo)體。雜質(zhì)濃度元素半導(dǎo)體。雜質(zhì)濃度 小于小于10-9 在本征半導(dǎo)體中有意加入在本征半導(dǎo)體中有意加入 少量的雜質(zhì)元素，以控制電導(dǎo)少量的雜質(zhì)元素，以控制電導(dǎo) 率，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。率，形成雜

10、質(zhì)半導(dǎo)體。 v 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 1. 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 v 本征半導(dǎo)體廣泛研究的元素是本征半導(dǎo)體廣泛研究的元素是Si、Ge和金和金 剛石。剛石。金剛石金剛石可看作是碳元素半導(dǎo)體，除可看作是碳元素半導(dǎo)體，除 了了硅、鍺、金剛石硅、鍺、金剛石外，其余的半導(dǎo)體元素外，其余的半導(dǎo)體元素 一般不單獨(dú)使用。一般不單獨(dú)使用。 v 因?yàn)橐驗(yàn)楸菊靼雽?dǎo)體本征半導(dǎo)體單位體積內(nèi)載流子數(shù)目比單位體積內(nèi)載流子數(shù)目比 較少，需要在高溫下工作電導(dǎo)率才大，較少，需要在高溫下工作電導(dǎo)率才大，故故 應(yīng)用不多應(yīng)用不多。 1. 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 v利用將雜質(zhì)元素?fù)饺爰冊(cè)刂校央娮訌碾s利用將雜質(zhì)元

11、素?fù)饺爰冊(cè)刂校央娮訌碾s 質(zhì)能級(jí)（帶）激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價(jià)質(zhì)能級(jí)（帶）激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價(jià) 帶激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上，從而在價(jià)帶中產(chǎn)生空帶激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上，從而在價(jià)帶中產(chǎn)生空 穴的激發(fā)叫穴的激發(fā)叫非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)。這種半。這種半 導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。 v雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體本身也存在本征激發(fā)，一般雜質(zhì)本身也存在本征激發(fā)，一般雜質(zhì) 半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)的濃度很低，如十億分之半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)的濃度很低，如十億分之 一就可達(dá)到目的。一就可達(dá)到目的。 當(dāng)半導(dǎo)體從外界獲得一定的能量，受到激發(fā)，電子從價(jià)當(dāng)半導(dǎo)體從外界獲得一定的能量，受到激發(fā)，電子從價(jià) 帶頂端躍遷

12、到導(dǎo)帶底端，而產(chǎn)生出自由電子和自由空穴帶頂端躍遷到導(dǎo)帶底端，而產(chǎn)生出自由電子和自由空穴 的現(xiàn)象。本征激發(fā)的容易程度受到的現(xiàn)象。本征激發(fā)的容易程度受到禁帶寬度禁帶寬度的影響的影響 1. 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 摻雜原子的價(jià)電摻雜原子的價(jià)電 子多于純?cè)氐淖佣嘤诩冊(cè)氐?價(jià)電子，又稱施價(jià)電子，又稱施 主型半導(dǎo)體主型半導(dǎo)體 摻雜原子的價(jià)電子少摻雜原子的價(jià)電子少 于純?cè)氐膬r(jià)電子，于純?cè)氐膬r(jià)電子， 又稱受主型半導(dǎo)體又稱受主型半導(dǎo)體 1. 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 本本 征征 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 N型型 半導(dǎo)半導(dǎo) 體體 P型

13、型 半導(dǎo)半導(dǎo) 體體 摻入五價(jià)元素?fù)饺胛鍍r(jià)元素 P（磷）（磷） 摻入三價(jià)元素?fù)饺肴齼r(jià)元素 B(硼）硼） 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 （1）能帶）能帶 當(dāng)大量原子結(jié)合成晶體時(shí)由于相鄰原子電子云相互交疊，對(duì)應(yīng)當(dāng)大量原子結(jié)合成晶體時(shí)由于相鄰原子電子云相互交疊，對(duì)應(yīng) 于孤立原子中的每一能級(jí)都將分裂成有一定能量寬度的能帶。于孤立原子中的每一能級(jí)都將分裂成有一定能量寬度的能帶。 （2）帶隙）帶隙 能帶之間的區(qū)域能帶之間的區(qū)域 （3）禁帶）禁帶 帶隙不存在電子的能級(jí)帶隙不存在電子的能級(jí) （4）滿帶）滿帶 能級(jí)已被電子所占滿，在外電場(chǎng)作用下，滿帶中的電子并不形能級(jí)已被電子所占滿，在外電場(chǎng)作用下，滿帶

14、中的電子并不形 成電流，對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)（原子中的內(nèi)層電子）成電流，對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)（原子中的內(nèi)層電子） 2.1 半導(dǎo)體內(nèi)的電子特性半導(dǎo)體內(nèi)的電子特性 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 （6）導(dǎo)帶）導(dǎo)帶 比價(jià)帶比價(jià)帶能量能量更高的能帶是導(dǎo)帶。在更高的能帶是導(dǎo)帶。在絕對(duì)零度絕對(duì)零度溫度下，溫度下，半導(dǎo)體半導(dǎo)體的的 價(jià)帶價(jià)帶(valence band)是是滿帶滿帶，受到光電注入或熱激發(fā)后，價(jià)帶中，受到光電注入或熱激發(fā)后，價(jià)帶中 的部分電子會(huì)越過的部分電子會(huì)越過禁帶禁帶進(jìn)入進(jìn)入能量能量較高的空帶，空帶中存在電子較高的空帶，空帶中存在電子 后即成為導(dǎo)電的能帶后即成為導(dǎo)電的能帶導(dǎo)帶。導(dǎo)帶。 （5）價(jià)帶

15、）價(jià)帶 通常是指通常是指半導(dǎo)體半導(dǎo)體或或絕緣體絕緣體中，在中，在絕對(duì)零度絕對(duì)零度下被價(jià)電子占滿的最高下被價(jià)電子占滿的最高 能帶能帶，此時(shí)在外電場(chǎng)作用下不導(dǎo)電。當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)（溫，此時(shí)在外電場(chǎng)作用下不導(dǎo)電。當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)（溫 度升高或光照），滿帶中有少量電子被激發(fā)到上面的空帶中度升高或光照），滿帶中有少量電子被激發(fā)到上面的空帶中 導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子+ +價(jià)帶空穴價(jià)帶空穴 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 （7）雜質(zhì)能級(jí)）雜質(zhì)能級(jí) 半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)使嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，從而有可能產(chǎn)生能量半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)使嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，從而有可能產(chǎn)生能量 在在帶隙中的局域化電子

16、態(tài)帶隙中的局域化電子態(tài)，稱為雜質(zhì)能級(jí)。對(duì)于雜質(zhì)和主晶格原子價(jià)電子相，稱為雜質(zhì)能級(jí)。對(duì)于雜質(zhì)和主晶格原子價(jià)電子相 差差1 1的施（受）主雜質(zhì)，它們的離化能很小，通常只有十幾幾十毫電子伏，的施（受）主雜質(zhì)，它們的離化能很小，通常只有十幾幾十毫電子伏， 在常溫下就能電離而向?qū)В▋r(jià)帶）提供電子（空穴），自身成為帶正（負(fù)在常溫下就能電離而向?qū)В▋r(jià)帶）提供電子（空穴），自身成為帶正（負(fù) ）電的電離施（受）主，通常稱這些雜質(zhì)能級(jí)為施（受）主能級(jí)。）電的電離施（受）主，通常稱這些雜質(zhì)能級(jí)為施（受）主能級(jí)。 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 滿帶滿帶 禁帶禁帶 半滿帶半滿帶 金屬原子中的價(jià)電金屬原子中

17、的價(jià)電 子占據(jù)的能帶是部子占據(jù)的能帶是部 分占滿的，因此金分占滿的，因此金 屬是良好的導(dǎo)體屬是良好的導(dǎo)體 價(jià)帶價(jià)帶 禁帶禁帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 與金屬的區(qū)別：電子和與金屬的區(qū)別：電子和 空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電 與絕緣體的區(qū)別：禁帶與絕緣體的區(qū)別：禁帶 寬度比較小，常溫下已寬度比較小，常溫下已 有電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，有電子激發(fā)到導(dǎo)帶中， 具有一定導(dǎo)電能力具有一定導(dǎo)電能力 價(jià)帶價(jià)帶 禁帶禁帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 絕緣體禁帶寬度大絕緣體禁帶寬度大 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 v導(dǎo)體導(dǎo)體的能帶中都有未被填滿的價(jià)帶，在外的能帶中都有未被填滿的價(jià)帶，在外 電場(chǎng)的作用下，電子可由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，電場(chǎng)的作用下，電子可由價(jià)帶

18、躍遷到導(dǎo)帶， 從而形成電流。從而形成電流。 v絕緣體絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)是滿帶與導(dǎo)帶之間被一的能帶結(jié)構(gòu)是滿帶與導(dǎo)帶之間被一 個(gè)較寬的禁帶所隔開，在常溫下幾乎很少個(gè)較寬的禁帶所隔開，在常溫下幾乎很少 有電子可以被激發(fā)越過禁帶，因此其電導(dǎo)有電子可以被激發(fā)越過禁帶，因此其電導(dǎo) 率很低。率很低。 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿價(jià)帶躍到空導(dǎo)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿價(jià)帶躍到空導(dǎo) 帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù) 電荷。同時(shí)，在滿價(jià)帶中留下空穴，空穴帶正電荷，電荷。同時(shí)，在

19、滿價(jià)帶中留下空穴，空穴帶正電荷， 在價(jià)帶中空穴可按電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)而傳導(dǎo)正在價(jià)帶中空穴可按電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)而傳導(dǎo)正 電荷。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電荷。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子電子和和空穴空穴的運(yùn)動(dòng)，的運(yùn)動(dòng)， 電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 eV eV eV eV 10 8 6 4 導(dǎo)帶 禁帶 Eg 2 1 價(jià)帶 10 8 6 4 導(dǎo)帶 2 Eg 0 禁帶 價(jià)帶 2 4 L L X L L L X L L L X L L L X L （Si） （Ge） （GaAs） （GaP） 10 8 6 4

20、2 0 導(dǎo)帶 禁帶 Eg 2 4 價(jià)帶 10 8 6 4 2 0 禁帶 導(dǎo)帶 2 4 價(jià)帶 Eg 導(dǎo)帶 施主能級(jí) 受主能級(jí) x 空間坐標(biāo) 禁帶 價(jià)帶 Eg v 典型半導(dǎo)體的能帶圖（圖典型半導(dǎo)體的能帶圖（圖5-2） 直接躍遷型，易直接躍遷型，易 產(chǎn)生發(fā)光躍遷產(chǎn)生發(fā)光躍遷 間接躍遷型，間接躍遷型， 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 2.2 決定電導(dǎo)、載流子密度、遷移率的機(jī)制決定電導(dǎo)、載流子密度、遷移率的機(jī)制 （1）電導(dǎo)）電導(dǎo) 1l RS 若用電流密度若用電流密度J代替電流，用電場(chǎng)強(qiáng)度代替電流，用電場(chǎng)強(qiáng)度E代替電壓代替電壓 ，由歐姆定律：，由歐姆定律： J 由于電流是每單位時(shí)

21、間通過的電量。設(shè)電子電荷為由于電流是每單位時(shí)間通過的電量。設(shè)電子電荷為e，傳導(dǎo)，傳導(dǎo) 電子密度（濃度）為電子密度（濃度）為ne，速度為，速度為Ve，空穴密度為，空穴密度為np，速度，速度 為為Vp ,有：有： eePPeePP ()()()JneVn eVe n Vn V 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 當(dāng)外加電壓不是太高時(shí)，漂移速度與電場(chǎng)成正比，系數(shù)為當(dāng)外加電壓不是太高時(shí)，漂移速度與電場(chǎng)成正比，系數(shù)為遷移率遷移率： pepe VE 代入可得：代入可得： eepp ()e nn （2）霍爾效應(yīng)）霍爾效應(yīng) 把通有電流的半導(dǎo)體放在均勻的磁場(chǎng)中，設(shè)電場(chǎng)沿把通有電流的半導(dǎo)體放在均勻的磁場(chǎng)中，設(shè)

22、電場(chǎng)沿x方向，電方向，電 場(chǎng)強(qiáng)度為場(chǎng)強(qiáng)度為Ex，電流密度，電流密度Jx；磁場(chǎng)方向和電場(chǎng)垂直，沿；磁場(chǎng)方向和電場(chǎng)垂直，沿z方向，磁方向，磁 感應(yīng)強(qiáng)度為感應(yīng)強(qiáng)度為Bz，則在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的，則在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的+y或或-y方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)方向?qū)a(chǎn)生一個(gè) 橫向電場(chǎng)橫向電場(chǎng)Ey，該現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)（，該現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)（RH為霍爾系數(shù)）。為霍爾系數(shù)）。 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 B VH VZ 若樣品長(zhǎng)度為若樣品長(zhǎng)度為l，厚度為厚度為t，寬度為，寬度為w，則霍爾電動(dòng)勢(shì)為：，則霍爾電動(dòng)勢(shì)為： . xzxzxz HyH ee 1 () I B wI BI B VE wR n ewtn

23、ett 做什么？做什么？ 1）通過霍爾電壓的正負(fù)判別半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型）通過霍爾電壓的正負(fù)判別半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型 n型和型和p型半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)符號(hào)相反，即霍爾電壓的正負(fù)相反。型半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)符號(hào)相反，即霍爾電壓的正負(fù)相反。 2）測(cè)定載流子濃度和遷移率）測(cè)定載流子濃度和遷移率 3）霍爾器件）霍爾器件 11 () H R pq nq p/n:載流子濃度載流子濃度 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 （4）磁阻效應(yīng)）磁阻效應(yīng) 在與電流垂直的方向加磁場(chǎng)后，沿外加電場(chǎng)方向的電流密度在與電流垂直的方向加磁場(chǎng)后，沿外加電場(chǎng)方向的電流密度 有所降低，即由于磁場(chǎng)的存在，半導(dǎo)體的電阻增大，該現(xiàn)象稱為有所降低，

24、即由于磁場(chǎng)的存在，半導(dǎo)體的電阻增大，該現(xiàn)象稱為 磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)。想到什么？想到什么？ 物理磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng) 幾何磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng) 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 2.3 電學(xué)性質(zhì)的溫度依賴關(guān)系電學(xué)性質(zhì)的溫度依賴關(guān)系 1. 載流子散射載流子散射 l 在一定溫度下，半導(dǎo)體內(nèi)部的大量載流子，即使沒有電場(chǎng)作用，也不在一定溫度下，半導(dǎo)體內(nèi)部的大量載流子，即使沒有電場(chǎng)作用，也不 是靜止不動(dòng)的，而是在做無規(guī)則的、雜亂無章的運(yùn)動(dòng)是靜止不動(dòng)的，而是在做無規(guī)則的、雜亂無章的運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng) l 晶格上的原子也在不停地圍繞格點(diǎn)做晶格上的原子也在不停地圍繞格點(diǎn)做熱振動(dòng)。熱振動(dòng)。 l 半導(dǎo)體摻雜的雜

25、質(zhì)一般是半導(dǎo)體摻雜的雜質(zhì)一般是電離狀態(tài)，帶有電荷電離狀態(tài)，帶有電荷 載流子在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)不斷與熱振動(dòng)著的晶格原子或電離了的雜質(zhì)離載流子在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)不斷與熱振動(dòng)著的晶格原子或電離了的雜質(zhì)離 子發(fā)生碰撞，大小和方向發(fā)生改變；即電子波在半導(dǎo)體中傳播碰到了散射子發(fā)生碰撞，大小和方向發(fā)生改變；即電子波在半導(dǎo)體中傳播碰到了散射 載流子在外電場(chǎng)作用下的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際是熱運(yùn)動(dòng)和載流子在外電場(chǎng)作用下的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際是熱運(yùn)動(dòng)和 漂移運(yùn)動(dòng)的疊加。漂移運(yùn)動(dòng)的疊加。 2. 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性 2.3 電學(xué)性質(zhì)的溫度依賴關(guān)系電學(xué)性質(zhì)的溫度依賴關(guān)系 （圖（圖5-6） 2 3 3 2 1 *

26、q mBNi AT T 推導(dǎo)參見推導(dǎo)參見半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理 1 1）高純樣品或雜質(zhì)濃度較低）高純樣品或雜質(zhì)濃度較低 NNi i（摻雜濃度）很小（摻雜濃度）很小， ， 可略去，晶格散射起主要作用，遷移率 可略去，晶格散射起主要作用，遷移率 隨溫度升高迅速減小。隨溫度升高迅速減小。 2 2）雜質(zhì)濃度增加）雜質(zhì)濃度增加雜質(zhì)濃度很高時(shí)雜質(zhì)濃度很高時(shí) l 低溫范圍：低溫范圍： 增大，雜質(zhì)散射起主要作用。晶格振動(dòng)散射與之相比影響不增大，雜質(zhì)散射起主要作用。晶格振動(dòng)散射與之相比影響不 大，因此遷移率隨溫度升高而增大；大，因此遷移率隨溫度升高而增大； l 高溫范圍（約高溫范圍（約250左右）：左右）：T增大

27、，增大， 降低，降低， 起主導(dǎo)地位，以晶格起主導(dǎo)地位，以晶格 振動(dòng)散射為主，遷移率下降振動(dòng)散射為主，遷移率下降 3 2 BNi T 2 3 AT 3 2 BNi T 3 2 BNi T 3. 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 原理：原理：半導(dǎo)體的壓力敏感元件是基于在半導(dǎo)體的壓力敏感元件是基于在應(yīng)力的應(yīng)力的 作用下半導(dǎo)體晶體的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化作用下半導(dǎo)體晶體的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而，從而 改變載流子遷移率和載流子密度的。改變載流子遷移率和載流子密度的。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：從小型化、可靠性、高靈敏度和容易獲從小型化、可靠性、高靈敏度和容易獲 得電信號(hào)等角度出發(fā)，利用半導(dǎo)體的壓力敏感得電信號(hào)等角度出發(fā)，利

28、用半導(dǎo)體的壓力敏感 元件和位移敏感元件受到人們廣泛注意。元件和位移敏感元件受到人們廣泛注意。 缺點(diǎn)缺點(diǎn):壓阻效應(yīng)型半導(dǎo)體壓力敏感元件的壓阻效應(yīng)型半導(dǎo)體壓力敏感元件的缺點(diǎn)缺點(diǎn)是是 特性隨溫度的變化大特性隨溫度的變化大。 補(bǔ)充內(nèi)容：補(bǔ)充內(nèi)容： 1.1.金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片 （形變規(guī)）（形變規(guī)） （1 1）金屬絲電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬絲電阻應(yīng)變效應(yīng) L R S dRddLdS RLS 金屬導(dǎo)體在發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化，即形金屬導(dǎo)體在發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化，即形 成導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)。由于成導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)。由于 式中：式中： 電阻率；電阻率； L L 導(dǎo)體長(zhǎng)度；導(dǎo)體長(zhǎng)度；

29、 S S 導(dǎo)體截面積。導(dǎo)體截面積。 對(duì)式（對(duì)式（3-13-1）進(jìn)行全微分得）進(jìn)行全微分得 （3-13-1） （3-23-2） 令導(dǎo)體縱向（軸向）應(yīng)變量令導(dǎo)體縱向（軸向）應(yīng)變量 ，橫向（徑向）應(yīng)，橫向（徑向）應(yīng) 變量為變量為 ，由，由材料力學(xué)材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，在彈性范相關(guān)知識(shí)可知，在彈性范 圍內(nèi)，金屬絲受拉時(shí)，縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的關(guān)系為：圍內(nèi)，金屬絲受拉時(shí)，縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的關(guān)系為： 2 2SrdSrdr 2 22dSrdrdr Srr 即當(dāng)金屬絲受拉而伸長(zhǎng)時(shí)，則即當(dāng)金屬絲受拉而伸長(zhǎng)時(shí)，則、L L、S S的變化的變化dd、dLdL、dSdS 將會(huì)引起電阻值的變化。將會(huì)引起電阻值的變化。 令

30、導(dǎo)體截面半徑為令導(dǎo)體截面半徑為r，則，則 /dL L / r dr r r drdL rL 式中式中 金屬材料的泊松系數(shù)。金屬材料的泊松系數(shù)。 將將(3-2)(3-2)、(3-3)(3-3)代入代入(3-1)(3-1)可得：可得： （3-33-3） (12 ) dRdLd RL / S dR dL K RL (12 )/ S ddL K L / (1 2 ) d 引入應(yīng)變靈敏系數(shù)引入應(yīng)變靈敏系數(shù) 由式（由式（3-43-4）得）得 （3-43-4） （3-53-5） r 其物理含義是單位縱向應(yīng)變引起電阻的相對(duì)變化量。其物理含義是單位縱向應(yīng)變引起電阻的相對(duì)變化量。 式中，式中， 決定于導(dǎo)體幾何形狀

31、發(fā)生的變化，決定于導(dǎo)體幾何形狀發(fā)生的變化， 決定于導(dǎo)決定于導(dǎo) 體變形后所引起的電阻率的變化，對(duì)于金屬絲而言，第二項(xiàng)可忽體變形后所引起的電阻率的變化，對(duì)于金屬絲而言，第二項(xiàng)可忽 略不計(jì)。略不計(jì)。 KS為金屬導(dǎo)體應(yīng)變靈敏系數(shù)，其物理含義是單位縱向應(yīng)變引為金屬導(dǎo)體應(yīng)變靈敏系數(shù)，其物理含義是單位縱向應(yīng)變引 起電阻的相對(duì)變化量，即起電阻的相對(duì)變化量，即 (12 ) /d SS dRdL KK RL SS RL KK RL 或或 沿著半導(dǎo)體某晶向施加一定的壓力而使其產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其沿著半導(dǎo)體某晶向施加一定的壓力而使其產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其 電阻率將隨應(yīng)力改變而變化，這種現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效電阻率將隨應(yīng)力改變而變

32、化，這種現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效 應(yīng)。應(yīng)。不同類型的半導(dǎo)體，其壓阻效應(yīng)不同；同一類型的半導(dǎo)體，不同類型的半導(dǎo)體，其壓阻效應(yīng)不同；同一類型的半導(dǎo)體， 受力方向不同，壓阻效應(yīng)也不同，半導(dǎo)體應(yīng)變片的縱向壓阻效受力方向不同，壓阻效應(yīng)也不同，半導(dǎo)體應(yīng)變片的縱向壓阻效 應(yīng)可寫為：應(yīng)可寫為： (12 ) RL RL 由半導(dǎo)體電阻理論可知：由半導(dǎo)體電阻理論可知： E 式中：式中：半導(dǎo)體材料的縱向壓阻系數(shù)；半導(dǎo)體材料的縱向壓阻系數(shù)； E E半導(dǎo)體材料的彈性模量。半導(dǎo)體材料的彈性模量。 (12) R E R 所以所以 （3-63-6） R E R / B RL KE RL 式中，式中，1+21+2是由縱向應(yīng)力而引

33、起應(yīng)變片幾何形狀的變化，金是由縱向應(yīng)力而引起應(yīng)變片幾何形狀的變化，金 屬電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)主要由此項(xiàng)決定；屬電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)主要由此項(xiàng)決定；E是因縱向應(yīng)力所引是因縱向應(yīng)力所引 起的壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)主要由起的壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)主要由EE決定，因決定，因 為一般為一般EE比比1+21+2大近百倍，故可得：大近百倍，故可得： 其應(yīng)變靈敏系數(shù)為：其應(yīng)變靈敏系數(shù)為： 壓阻效應(yīng)的解釋：壓阻效應(yīng)的解釋：當(dāng)力作用于硅晶體時(shí)當(dāng)力作用于硅晶體時(shí), ,晶體的晶體的 晶格發(fā)生形變晶格發(fā)生形變, ,它使載流子產(chǎn)生一個(gè)能谷到另一它使載流子產(chǎn)生一個(gè)能谷到另一 個(gè)能谷的散射個(gè)能谷的散射，載流的，載

34、流的遷移率發(fā)生變化遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)了，擾動(dòng)了 縱向和橫向的平均有效質(zhì)量，使硅的電阻發(fā)生變縱向和橫向的平均有效質(zhì)量，使硅的電阻發(fā)生變 化。這個(gè)變化隨化。這個(gè)變化隨Si Si單晶的取向不同而不同，即單晶的取向不同而不同，即Si Si 的壓阻效應(yīng)與晶體取向有關(guān)，是各向異性的。的壓阻效應(yīng)與晶體取向有關(guān)，是各向異性的。 4.半導(dǎo)體敏感元件半導(dǎo)體敏感元件 4. 1 射線敏感元件（了解）射線敏感元件（了解） 4.2 電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件 4.3 化學(xué)敏感元件化學(xué)敏感元件 4. 1 射線敏感射線敏感元件元件 射線敏感元件：射線敏感元件：特性參數(shù)隨外界放射線種類和劑量變化而明特性參數(shù)隨外界放

35、射線種類和劑量變化而明 顯變化的敏感元器件顯變化的敏感元器件 直接電離作用：直接電離作用：在在射線和射線和射線等射線等帶電粒子束帶電粒子束的情況下，的情況下， 半導(dǎo)體與射線相互作用產(chǎn)生電子半導(dǎo)體與射線相互作用產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的過程為空穴對(duì)的過程為直接電離直接電離 作用。作用。 間接電離作用：間接電離作用：在在X射線和射線和 射線等射線等電磁射線電磁射線的情況下，主的情況下，主 要是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和由于電子要是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和由于電子-空穴對(duì)的生成而產(chǎn)空穴對(duì)的生成而產(chǎn) 生的生的間接電離作用。間接電離作用。 短波電磁輻射短波電磁輻射( (如如X X射線，伽瑪射線射線，伽瑪射線) )射入

36、物質(zhì)而被射入物質(zhì)而被 散射后，除了出現(xiàn)與入射波同樣波長(zhǎng)的散射外，還散射后，除了出現(xiàn)與入射波同樣波長(zhǎng)的散射外，還 出現(xiàn)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的散射現(xiàn)象。出現(xiàn)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的散射現(xiàn)象。 4. 1 射線敏感射線敏感元件元件 產(chǎn)生一個(gè)電子產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)所需的射線的平均能量空穴對(duì)所需的射線的平均能量稱為稱為 值。它與半導(dǎo)體的禁帶寬度之間的近似關(guān)系：值。它與半導(dǎo)體的禁帶寬度之間的近似關(guān)系： g Eb =2.8=2.8，0.50.5b b5.05.0 制備射線敏感元件時(shí)：制備射線敏感元件時(shí)： 1 1）根據(jù)檢測(cè)的射線種類和能量來決定所用半導(dǎo)體的種類和敏）根據(jù)檢測(cè)的射線種類和能量來決定所用半導(dǎo)體的種類和敏

37、 感元件的形狀感元件的形狀 2 2）敏感元件的結(jié)構(gòu)一般采用）敏感元件的結(jié)構(gòu)一般采用pnpn結(jié)型、結(jié)型、PINPIN型、表面勢(shì)壘型等型、表面勢(shì)壘型等 4. 1 射線敏感元件射線敏感元件 放射線 冷卻系 半導(dǎo)體放射線傳感 器前置放大器 主放大器 偏置電源 波高分析器 v 測(cè)量系統(tǒng)和裝置測(cè)量系統(tǒng)和裝置 若射線粒子入射在半導(dǎo)體上，則產(chǎn)生數(shù)量為若射線粒子入射在半導(dǎo)體上，則產(chǎn)生數(shù)量為除以粒子能量除以粒子能量 的電子的電子-空穴對(duì)。空穴對(duì)。電子電子-空穴對(duì)除被復(fù)合或俘獲的以外，余下的空穴對(duì)除被復(fù)合或俘獲的以外，余下的 都被敏感元件的電極收集。都被敏感元件的電極收集。用用前置放大器前置放大器可對(duì)具有波高正比于

38、可對(duì)具有波高正比于 收集電荷總量的脈沖進(jìn)行交換。此脈沖經(jīng)過主放大器后輸入波收集電荷總量的脈沖進(jìn)行交換。此脈沖經(jīng)過主放大器后輸入波 高分析器，并記錄下高分析器，并記錄下與波高相應(yīng)的頻率分布與波高相應(yīng)的頻率分布。 放射線能量分析裝置框圖放射線能量分析裝置框圖 4. 1 射線敏感元件射線敏感元件 X 射線管 被檢測(cè)物體 控制系統(tǒng) 高壓電源 放大系統(tǒng) 半導(dǎo)體傳感器 X 射線 膠片 v 典型應(yīng)用（典型應(yīng)用（CT掃描：斷層掃描技術(shù)）掃描：斷層掃描技術(shù)） l 根據(jù)人體不同組織對(duì)根據(jù)人體不同組織對(duì)X X線的吸收與線的吸收與 透過率的不同進(jìn)行檢測(cè)。透過率的不同進(jìn)行檢測(cè)。 l 用用X X線線束對(duì)人體某部一定厚度的

39、層束對(duì)人體某部一定厚度的層 面進(jìn)行掃描，由探測(cè)器接收透過該層面進(jìn)行掃描，由探測(cè)器接收透過該層 面的面的X X線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂螅晒怆娋€，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂螅晒怆?轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模擬轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模擬/ /數(shù)字轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn) 換器（換器（analog/digital converteranalog/digital converter）轉(zhuǎn)為）轉(zhuǎn)為 數(shù)字，輸入數(shù)字，輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)處理。處理。 19791979年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) “開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助的斷層掃描技術(shù)開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助的斷層掃描技術(shù)” 傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用！傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用！ 4.2.1 電場(chǎng)敏感元件電場(chǎng)

40、敏感元件 電場(chǎng)與電位、電荷密切相關(guān)，因此測(cè)量電場(chǎng)的敏感元件也可電場(chǎng)與電位、電荷密切相關(guān)，因此測(cè)量電場(chǎng)的敏感元件也可 將其看做是電位（電壓）或電荷敏感元件。將其看做是電位（電壓）或電荷敏感元件。 測(cè)量探針 導(dǎo)電性襯底 絕緣體 柵電極 漏 電流計(jì) FET 源 漏 A 利用利用FET測(cè)量電荷分布測(cè)量電荷分布 4.2 電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件 測(cè)量絕緣膜上的測(cè)量絕緣膜上的 表面電位或電荷表面電位或電荷 分布分布 方法方法：利用：利用高輸入阻抗高輸入阻抗FET的的非接觸法非接觸法。 原理：原理：此方式不是直接測(cè)量表面電位或電荷，而是此方式不是直接測(cè)量表面電位或電荷，而是 利用分布在表面的電荷

41、產(chǎn)生的電場(chǎng)在探頭上感應(yīng)出利用分布在表面的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)在探頭上感應(yīng)出 電荷電荷，最終對(duì)，最終對(duì)FET的柵極產(chǎn)生影響。的柵極產(chǎn)生影響。 4.2.1 電場(chǎng)敏感元件電場(chǎng)敏感元件 感應(yīng)起電的概念：把電荷移近不帶電的導(dǎo)體，可以使導(dǎo)體感應(yīng)起電的概念：把電荷移近不帶電的導(dǎo)體，可以使導(dǎo)體 帶電的現(xiàn)象。帶電的現(xiàn)象。 感應(yīng)起電是物體在靜電場(chǎng)的作用下，發(fā)生了的電荷上再分布的現(xiàn)象。比感應(yīng)起電是物體在靜電場(chǎng)的作用下，發(fā)生了的電荷上再分布的現(xiàn)象。比 如：一個(gè)設(shè)備加電工作的過程中，產(chǎn)生了一定的電磁場(chǎng)，外圍的物體受如：一個(gè)設(shè)備加電工作的過程中，產(chǎn)生了一定的電磁場(chǎng)，外圍的物體受 場(chǎng)的作用會(huì)感應(yīng)出部分電荷，如顯示器的屏幕帶電現(xiàn)象

42、。場(chǎng)的作用會(huì)感應(yīng)出部分電荷，如顯示器的屏幕帶電現(xiàn)象。 4.2.2 磁場(chǎng)敏感元件磁場(chǎng)敏感元件 半導(dǎo)體磁場(chǎng)敏感元件可分為半導(dǎo)體磁場(chǎng)敏感元件可分為磁阻效應(yīng)型、霍爾磁阻效應(yīng)型、霍爾 效應(yīng)型和載流子偏轉(zhuǎn)型效應(yīng)型和載流子偏轉(zhuǎn)型三類。三類。 無論哪一種類型都是利用來自磁場(chǎng)的洛侖茲力無論哪一種類型都是利用來自磁場(chǎng)的洛侖茲力 對(duì)電子或空穴的作用。對(duì)電子或空穴的作用。 作為半導(dǎo)體，若優(yōu)先考慮靈敏度則選擇電子遷作為半導(dǎo)體，若優(yōu)先考慮靈敏度則選擇電子遷 移率大的移率大的InSb和和InAs；若要求溫度穩(wěn)定性好則；若要求溫度穩(wěn)定性好則 選擇禁帶寬度大的選擇禁帶寬度大的GaAs；若要求具有信號(hào)處理；若要求具有信號(hào)處理 功

43、能而做成集成電路時(shí)，則傾向于選擇硅。功能而做成集成電路時(shí)，則傾向于選擇硅。 4.2 電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件 4.2.2.1磁阻效應(yīng)型敏感元件磁阻效應(yīng)型敏感元件 I B I I I 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 磁阻元件是利用磁阻元件是利用磁場(chǎng)一磁場(chǎng)一 旦加在半導(dǎo)體上半導(dǎo)體旦加在半導(dǎo)體上半導(dǎo)體 的電阻就增加的磁阻效的電阻就增加的磁阻效 應(yīng)應(yīng)做成的敏感元件。做成的敏感元件。 此元件有兩個(gè)端子，在此元件有兩個(gè)端子，在 此元件中半導(dǎo)體電阻率此元件中半導(dǎo)體電阻率 增加的同時(shí)還包括電流增加的同時(shí)還包括電流 分布隨磁場(chǎng)而變、電流分布隨磁場(chǎng)而變、電流 路徑變長(zhǎng)、電阻增加的路徑變長(zhǎng)、電阻增加的 形狀效應(yīng)。形狀

44、效應(yīng)。 4.2 電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件 由于洛倫茲力產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，對(duì)于某種速度由于洛倫茲力產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，對(duì)于某種速度 的載流子，如果霍爾電場(chǎng)的作用與洛倫茲力的載流子，如果霍爾電場(chǎng)的作用與洛倫茲力 的作用剛好抵消時(shí)，那么小于或大于該速度的作用剛好抵消時(shí)，那么小于或大于該速度 的載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)的載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此沿外加電場(chǎng)方向運(yùn) 動(dòng)的載流子數(shù)目減少，電阻增大。動(dòng)的載流子數(shù)目減少，電阻增大。 4.2.2.1磁阻效應(yīng)型敏感元件磁阻效應(yīng)型敏感元件 I B I I I 4.2 電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件 l長(zhǎng)寬比長(zhǎng)寬比1 1：扁條形，霍爾效應(yīng)：扁條形，霍爾效

45、應(yīng) 降低，電流偏轉(zhuǎn)很厲害，長(zhǎng)增加降低，電流偏轉(zhuǎn)很厲害，長(zhǎng)增加 增長(zhǎng)，電阻增加很多增長(zhǎng)，電阻增加很多 長(zhǎng)寬比長(zhǎng)寬比1 1 電流路徑增長(zhǎng)電流路徑增長(zhǎng) 幾何磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng) 1. 1. 電流路徑增長(zhǎng)電流路徑增長(zhǎng) l 加磁場(chǎng)后，產(chǎn)生橫向電場(chǎng)；加磁場(chǎng)后，產(chǎn)生橫向電場(chǎng)； 電流密度與合成電場(chǎng)方向不電流密度與合成電場(chǎng)方向不 一致，合成電場(chǎng)強(qiáng)度一致，合成電場(chǎng)強(qiáng)度E E偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)。 l 內(nèi)部電流密度仍與邊緣平內(nèi)部電流密度仍與邊緣平 行，但在金屬電極處，合成行，但在金屬電極處，合成 電場(chǎng)強(qiáng)度與金屬電極表面垂電場(chǎng)強(qiáng)度與金屬電極表面垂 直，所以電流密度發(fā)生偏轉(zhuǎn)。直，所以電流密度發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 2. 2. 幾何磁阻效應(yīng)幾

46、何磁阻效應(yīng) 長(zhǎng)寬比長(zhǎng)寬比1 1 l長(zhǎng)寬比長(zhǎng)寬比1 1：長(zhǎng)的增大不明顯：長(zhǎng)的增大不明顯 在電阻率增加效應(yīng)中，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在電阻率增加效應(yīng)中，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度B不那么大時(shí)，不那么大時(shí)， 電阻率的增加為：電阻率的增加為： 2 0 ()B 敏感元件的輸入電阻敏感元件的輸入電阻RB可由下式求出：可由下式求出： B0m 0 () V RRg I V V為輸入電壓；為輸入電壓；I I為輸入電流；為輸入電流；R R0 0、 0 0為沒有磁場(chǎng)作為沒有磁場(chǎng)作 用時(shí)的輸入電阻和輸入電阻率；用時(shí)的輸入電阻和輸入電阻率；g gm m為由形狀效應(yīng)引起的為由形狀效應(yīng)引起的 電阻增加率。電阻增加率。 4.2.2.1磁阻效應(yīng)型敏感元件

47、磁阻效應(yīng)型敏感元件 霍爾遷移率霍爾遷移率 4.2.2.2 霍爾效應(yīng)型敏感元件霍爾效應(yīng)型敏感元件 這種敏感元件是利用霍爾效應(yīng)將磁場(chǎng)強(qiáng)度變?yōu)殡妷旱拿舾羞@種敏感元件是利用霍爾效應(yīng)將磁場(chǎng)強(qiáng)度變?yōu)殡妷旱拿舾?元件，其特點(diǎn)是輸出信號(hào)電壓與磁場(chǎng)成正比，并可判定磁元件，其特點(diǎn)是輸出信號(hào)電壓與磁場(chǎng)成正比，并可判定磁 場(chǎng)的極性。場(chǎng)的極性。 利用磁場(chǎng)強(qiáng)度利用磁場(chǎng)強(qiáng)度B、控制電流、控制電流Ic、霍爾系數(shù)、霍爾系數(shù)RH、元件厚度、元件厚度d和和 形狀效應(yīng)系數(shù)形狀效應(yīng)系數(shù)fH，霍爾電壓可由下式表示：，霍爾電壓可由下式表示： H HHC R Vf I B d H 1 R ne 4.2 電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件

48、磁場(chǎng)的精密測(cè)量磁場(chǎng)的精密測(cè)量 4.2.2.2 霍爾效應(yīng)型敏感元件霍爾效應(yīng)型敏感元件 測(cè)試原理：測(cè)試原理： VH正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度B和電流和電流Ic，而，而 與厚度成反比，所以希望制成薄膜形狀。與厚度成反比，所以希望制成薄膜形狀。RH與與 材料有關(guān)，是物質(zhì)固有的常數(shù)，從而必須選擇對(duì)材料有關(guān)，是物質(zhì)固有的常數(shù)，從而必須選擇對(duì) 于載流子種類、濃度、遷移率適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體。雖于載流子種類、濃度、遷移率適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體。雖 然遷移率大好，但必須綜合考慮溫度特性、強(qiáng)度、然遷移率大好，但必須綜合考慮溫度特性、強(qiáng)度、 加工性等，這隨用途而異。加工性等，這隨用途而異。 材料體系：材料體系：作為典型的磁敏材料，

49、可使用作為典型的磁敏材料，可使用InSb、 InAs、GaAs、Ge、Si等材料，等材料，磁場(chǎng)的精密測(cè)量磁場(chǎng)的精密測(cè)量 可使用可使用溫度系數(shù)小溫度系數(shù)小的的InAsP，而利用而利用Si、GaAs可可 望實(shí)現(xiàn)集成化。望實(shí)現(xiàn)集成化。 4.2 電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件電場(chǎng)、磁場(chǎng)敏感元件 4.2.2.3 載流子偏轉(zhuǎn)型敏感元件（載流子偏轉(zhuǎn)型敏感元件（了解了解） C1 E C2 n+ n+ n+ n+ e n P-Si C1 E B2 n+ n n+ n+ n P-Si B1 C2 n+ P e n （a） （b） （ a）所示的情況是）所示的情況是雙極晶體管型敏感元件雙極晶體管型敏感元件，由于磁場(chǎng)的作，由于磁

50、場(chǎng)的作 用使由發(fā)射極注入的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在兩個(gè)集電極端用使由發(fā)射極注入的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在兩個(gè)集電極端 子（子（C1，C2）間產(chǎn)生不平衡輸出，并以此為輸出信號(hào)。而）間產(chǎn)生不平衡輸出，并以此為輸出信號(hào)。而 （b）也是利用由襯底注入的磁偏轉(zhuǎn)作用，信號(hào)由集電極對(duì)）也是利用由襯底注入的磁偏轉(zhuǎn)作用，信號(hào)由集電極對(duì) 和基極對(duì)（和基極對(duì)（ C1，C2，B1，B2）得到。）得到。 4.3 化學(xué)敏感元件化學(xué)敏感元件 測(cè)定溶液 柵絕緣膜 電流計(jì) A n n P-Si 源 漏 ISFET敏感元件原理圖敏感元件原理圖 4.3.1 ISFET（離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管）（離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管） 基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：采用將

51、柵絕采用將柵絕 緣 膜 上 設(shè) 有 金 屬 柵 的緣 膜 上 設(shè) 有 金 屬 柵 的 FET直接浸入溶液的形直接浸入溶液的形 式。式。 原理：原理：溶液中離子濃度溶液中離子濃度 的變化的變化誘發(fā)誘發(fā)溶液與柵絕溶液與柵絕 緣膜間的緣膜間的界面電位界面電位變化，變化， 此變化最終導(dǎo)致了此變化最終導(dǎo)致了FET 的的溝道電導(dǎo)溝道電導(dǎo)變化。變化。 舉例：酶舉例：酶FET v結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：大多數(shù)由以有機(jī)物所制作的敏感膜與：大多數(shù)由以有機(jī)物所制作的敏感膜與HFET(HFET(氫離子場(chǎng)氫離子場(chǎng) 效應(yīng)管效應(yīng)管) )組成。組成。 v原理原理：進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于酶的催化作用，使待側(cè)的有機(jī)分子：進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于酶的催化作用

52、，使待側(cè)的有機(jī)分子 反應(yīng)生成反應(yīng)生成FETFET能夠響應(yīng)的離子，離子濃度變化引起柵極電位能夠響應(yīng)的離子，離子濃度變化引起柵極電位 變化，通過測(cè)試漏極電流得出所需信號(hào)。變化，通過測(cè)試漏極電流得出所需信號(hào)。 v制法制法：去掉：去掉FETFET的柵極金屬，在此處固定生物敏感膜，其表的柵極金屬，在此處固定生物敏感膜，其表 面一旦與若干水分溶化在一起時(shí)（稱為水合作用），下式中面一旦與若干水分溶化在一起時(shí)（稱為水合作用），下式中 的的電位與氫離子濃度倒數(shù)的對(duì)數(shù)電位與氫離子濃度倒數(shù)的對(duì)數(shù)( (即即PHPH值值) )成比例成比例。 pH F RT EE 303.2 0 l 用電子聚合物將丁酰膽堿脂酶固定在用電

53、子聚合物將丁酰膽堿脂酶固定在ISFET ISFET 電極的敏電極的敏 感柵極上來測(cè)定敵敵畏感柵極上來測(cè)定敵敵畏 （1 1）檢測(cè)原理檢測(cè)原理：敵敵畏首先與酶進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使得有活性的丁敵敵畏首先與酶進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使得有活性的丁 酰膽堿脂酶的量不斷減小，進(jìn)而抑制了乙酰膽堿水解生成乙酸的過酰膽堿脂酶的量不斷減小，進(jìn)而抑制了乙酰膽堿水解生成乙酸的過 程，從而使得氫離子的濃度越來越小，因此漏電流也越來越小。程，從而使得氫離子的濃度越來越小，因此漏電流也越來越小。 （2）器件設(shè)計(jì)器件設(shè)計(jì) 電子聚合物生物傳感器陣列單元的電子聚合物生物傳感器陣列單元的MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管剖面示意圖場(chǎng)效應(yīng)管剖面示意圖 其中，其

54、中，4 4是是SiSi3 3N N4 4 鈍化層， 鈍化層，5 5是是電子聚合物層電子聚合物層, 6, 6是是生物材料層生物材料層 場(chǎng)效應(yīng)管芯片的梳狀結(jié)構(gòu)示意圖場(chǎng)效應(yīng)管芯片的梳狀結(jié)構(gòu)示意圖 （3）制備工藝）制備工藝 采用標(biāo)準(zhǔn)的采用標(biāo)準(zhǔn)的MOS工藝制作出工藝制作出MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 ； 刻蝕去除柵區(qū)的金屬鋁刻蝕去除柵區(qū)的金屬鋁 ； 運(yùn)用運(yùn)用PVD法在梳狀柵區(qū)沉積法在梳狀柵區(qū)沉積Si3N4鈍化層鈍化層 （80-150 nm）；）； 采用自組裝法在采用自組裝法在Si3N4鈍化層上制備厚度為鈍化層上制備厚度為1-2m的電子聚合物層的電子聚合物層 (PEDOT)； 在在PEDOT層上沉積層上沉積23

55、 m的生物活性材料酶的生物活性材料酶 ； 引線、封裝引線、封裝 。 A. A. 單體氧化劑配比為單體氧化劑配比為1:2 B. 1:2 B. 單體氧化劑配比為單體氧化劑配比為1:41:4 C. C. 單體氧化劑配比為單體氧化劑配比為1:5 D. 1:5 D. 單體氧化劑配比為單體氧化劑配比為1:61:6 E E聚合反應(yīng)時(shí)間為聚合反應(yīng)時(shí)間為1515分鐘分鐘 F. F. 聚合反應(yīng)時(shí)間為聚合反應(yīng)時(shí)間為2525分鐘分鐘 G. G. 聚合反應(yīng)時(shí)間為聚合反應(yīng)時(shí)間為3535分鐘分鐘 電子聚合物電子聚合物ENFETENFET的性能測(cè)試系統(tǒng)的性能測(cè)試系統(tǒng) 0100200300400500600700 3.35 3

56、.40 3.45 3.50 3.55 3.60 3.65 3.70 3.75 3.80 3.85 H+ 離子 濃 度減小 IDS (mA) Time (s) 電子聚合物電子聚合物ENFET在不同在不同pH值的緩沖溶液中值的緩沖溶液中 的電流值與時(shí)間的關(guān)系的電流值與時(shí)間的關(guān)系 由上而下，其由上而下，其pH值分別為值分別為6.2，6.8，7.5，8.6，9.2 6.06.57.07.58.08.59.09.5 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 IDS (mA) pH 050100150200250300 4.65 4.70 4.75 4.80 4.85 4.90 4.95 I

57、DS (mA) Time(s) 底 物 7.26x10-6 mol/l 3.62x10-5 mol/l 1.45x10-4 mol/l 2.9x10-4 mol/l 5.8x10-4 mol/l 1.16x10-3 mol/l 4.3.1 ISFET（離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管）（離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管） S1 柵絕緣膜 硅襯底 漏 源 Mn(mn)Sn M2(m2)S2 M1(m1) v 有疊層感應(yīng)膜結(jié)構(gòu)的有疊層感應(yīng)膜結(jié)構(gòu)的ISFET （了解）（了解） 利用介于多層感應(yīng)膜中的利用介于多層感應(yīng)膜中的 物質(zhì)產(chǎn)生的物質(zhì)產(chǎn)生的連鎖的生化反連鎖的生化反 應(yīng)應(yīng)，從而以，從而以Sn的形式檢測(cè)的形式檢測(cè) 難于直接檢測(cè)的

58、檢測(cè)對(duì)象難于直接檢測(cè)的檢測(cè)對(duì)象 的敏感元件。的敏感元件。 因?yàn)闇囟仁巧磻?yīng)的重因?yàn)闇囟仁巧磻?yīng)的重 要參數(shù)，所以使加熱用的要參數(shù)，所以使加熱用的 擴(kuò)散電阻區(qū)或探測(cè)溫度用擴(kuò)散電阻區(qū)或探測(cè)溫度用 的二極管或晶體管靠近的二極管或晶體管靠近 FET，并使之一體化，從，并使之一體化，從 而有可能達(dá)到高性能化。而有可能達(dá)到高性能化。 2 (,1) iiii R SmSin 連鎖的生化反應(yīng)連鎖的生化反應(yīng) 4.3 化學(xué)敏感元件化學(xué)敏感元件 4.3.2 共振微橋敏感元件共振微橋敏感元件 化學(xué)蒸氣 高分子膜 聚硅酮微橋 硅襯底 檢測(cè)電極 激勵(lì)電極 其結(jié)構(gòu)為在硅襯底上用其結(jié)構(gòu)為在硅襯底上用聚硅酮制成微橋聚硅酮制成微橋，進(jìn)而在其上制作，進(jìn)而在其上制作 高分子膜。微橋下面設(shè)置有為便于用靜電功率激勵(lì)橋的高分子膜。微橋下面設(shè)置有為便于用靜電功率激勵(lì)橋的激激 勵(lì)電極勵(lì)電極和檢測(cè)電容性共振率的和檢測(cè)電容性共振率的檢測(cè)電極檢測(cè)電極。 若檢測(cè)對(duì)象物質(zhì)附著在高分子膜上，則由于若檢測(cè)對(duì)象物質(zhì)附著在高分子膜上，則由于質(zhì)量質(zhì)量增加，增加，共共 振頻率發(fā)生變化振頻率發(fā)生變化，這種變化可作為輸出信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。，這種變化可作為輸出信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。 4.3 化學(xué)敏感元件化學(xué)