1、半導(dǎo)體傳感器的原理、應(yīng)用及發(fā)展作者 摘要：本文主要評(píng)述半導(dǎo)體傳感器例如磁敏，色敏，離子敏，氣敏，濕敏的傳感器的原理，在機(jī)械工程中的應(yīng)用及目前的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體傳感器，磁敏、色敏、離子敏、氣敏、濕敏、 工作原理、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用 Principle, application and development of semiconductor sensorAuthor （Department of mechanical and electrical engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Hunan 414000,

2、 China;）Abstract: in this paper, the principle of semiconductor sensors, such as magneto sensitive, color sensitive, ion sensitive, gas sensitive, humidity sensitive sensors, is introduced.Keywords: semiconductor sensor, magnetic sensitive, color sensitive, ion sensitive, gas sensitive, humidity sen

3、sitive, working principle, current situation, development trend, application半導(dǎo)體傳感器的原理、應(yīng)用及發(fā)展1一、概述3二、分類31、 磁敏傳感器3磁敏傳感器的工作原理31.磁敏電阻器32.磁敏二極管43.霍爾傳感器4磁敏傳感器的發(fā)展與應(yīng)用42、 色敏傳感器5色敏傳感器工作原理51. 光敏二極管工作原理5色敏傳感器的應(yīng)用63、 離子敏傳感器7離子敏傳感器工作原理71.ISFET的工作原理72. 離子敏感膜7離子敏傳感器的應(yīng)用74、氣敏傳感器8氣敏傳感器的工作原理81.電阻型氣敏原件92.非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器9氣敏傳感

4、器應(yīng)用105、濕敏傳感器10濕敏傳感器工作原理111.氯化鋰濕敏電阻11 2.半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 11負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理 11正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理12典型半導(dǎo)瓷濕敏元件12濕敏傳感器的應(yīng)用 13三、 半導(dǎo)體傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)13一、概述由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以半導(dǎo)體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問(wèn)世，半導(dǎo)體傳感器以其易于實(shí)現(xiàn)集成化，微型化，靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直引起世界各國(guó)科學(xué)家的重視和興趣，并且越來(lái)越多的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。半導(dǎo)體傳感器利用半導(dǎo)體材料易受外界條件影響的物理特性制成的傳感器，器種類繁多，它利用近百種物理效應(yīng)和材料的特性，具有類似于人眼、耳、鼻、舌、皮膚等多種

5、感覺(jué)功。半導(dǎo)體傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化，能使檢測(cè)轉(zhuǎn)換一體化。半導(dǎo)體傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)自動(dòng)化、遙測(cè)、工業(yè)機(jī)器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程和生物工程。二、分類1、 磁敏傳感器 磁敏傳感器的工作原理 磁敏傳感器是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或者空穴隨磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成的，總的來(lái)說(shuō)磁敏傳感器就是基于磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器。磁敏傳感器主要有磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管和霍爾式磁敏傳感器。1.磁敏電阻器 磁阻效應(yīng) 將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其電阻也會(huì)隨磁場(chǎng)而變化，這種效應(yīng)成為磁電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)稱磁阻效應(yīng)。

6、磁敏電阻器就是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。 當(dāng)溫度恒定時(shí)，在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。對(duì)于只有電子參與導(dǎo)電的最簡(jiǎn)單的情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為B=0（1+0.273B） 式中 B-磁感應(yīng)強(qiáng)度； -載流子遷移率； 0- 零磁場(chǎng)下的電阻率； B-磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率。 設(shè)電阻率的變化為=B- 0，則電阻率的相對(duì)變化率為 /0=0.273B=KB 由上式可知，磁場(chǎng)一定時(shí)，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。 磁敏電阻的應(yīng)用 一般用于磁場(chǎng)強(qiáng)度、漏磁、制磁的檢測(cè)；在交流變換器、頻率變換器、功率電壓變換器、位移電壓變換器、等電路中作控制元件；還可用于接近開(kāi)關(guān)、磁卡文字識(shí)別、磁電編

7、碼器、電動(dòng)機(jī)測(cè)速等方面或制作磁敏傳感器用。2.磁敏二極管晶體二極管為一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。 當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。 當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無(wú)關(guān)的反向飽和電流I0。 當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，p-n結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過(guò)程，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，

8、產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。 在電路中，P區(qū)接正電極，N區(qū)接負(fù)電極，即給磁敏二極管加上正電壓時(shí)，P區(qū)向i區(qū)注人空穴，N區(qū)向i區(qū)注入電子。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，大部分的空穴和電子分別流人N區(qū)和P區(qū)而產(chǎn)生電流，只有很少一部分載流子在i區(qū)或r區(qū)復(fù)合。此時(shí)i區(qū)有固定的阻值，器件呈穩(wěn)定狀態(tài)。若給磁敏二極管外加一個(gè)磁場(chǎng)B時(shí)，在正向磁場(chǎng)的作用下，空穴和電子在洛侖茲力的作用下偏向r區(qū)。由于空穴和電子在，區(qū)的復(fù)合速率大，因此載流子復(fù)合掉的比沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)大得多，從而使i區(qū)中的載流子數(shù)目減少，i區(qū)電阻增大，該區(qū)的電壓降也增加，又使P與N結(jié)的結(jié)壓降減小，導(dǎo)致注人到i區(qū)的載流子數(shù)目減少。其結(jié)果是使i區(qū)

9、的電阻繼續(xù)增大，其壓降也繼續(xù)增大，形成正反饋過(guò)程，直到迸人某一動(dòng)平衡狀態(tài)為止。當(dāng)給磁敏二極管加一個(gè)反向磁場(chǎng)B-時(shí)，載流子在洛侖茲力的作用下均偏離復(fù)合區(qū)r。其偏離，區(qū)的結(jié)果與加正向磁場(chǎng)時(shí)的情況恰恰相反，此時(shí)磁敏二極管的正向電流增大，電阻減小。磁敏二極管可用來(lái)檢測(cè)交、直流磁場(chǎng)，特別適合測(cè)量弱磁場(chǎng)；可制作鉗位電流計(jì)，對(duì)高壓線進(jìn)行不斷線、無(wú)接觸電流測(cè)量，還可作無(wú)接觸電位計(jì)等。3.霍爾傳感器霍爾傳感器是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件?；魻栃?yīng)：通電的載體在受到垂直于載體平面的外磁場(chǎng)作用時(shí)，則載流子受到洛倫茲力的作用，并有向兩邊聚集的傾向,由于自由電子的聚集從而形成電勢(shì)差，在經(jīng)過(guò)特殊工藝制備的半導(dǎo)體材料這種效應(yīng)更

10、為顯著。從而形成了霍爾元件。為增強(qiáng)對(duì)磁場(chǎng)的敏感度,在材料方面半導(dǎo)體IIIV元素族都有所應(yīng)用?；魻柶骷捎谄涔ぷ鳈C(jī)理的原因都制成全橋路器件，其內(nèi)阻大約都在150500之間。對(duì)線性傳感器工作電流大約在210mA左右，一般采用恒流供電法。磁敏傳感器的發(fā)展與應(yīng)用 將磁敏傳感器用于各種測(cè)磁儀中，其應(yīng)用范圍包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、軍事、航空航天、海洋、氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭、辦公等等, 可謂無(wú)所不至。 2、 色敏傳感器 色敏傳感器工作原理半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏器件的一種。它也是基于半導(dǎo)體的內(nèi)光效應(yīng)，將光信號(hào)變成為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件。半導(dǎo)體色敏器件可用來(lái)直接測(cè)量從可見(jiàn)光到近紅外波段內(nèi)單色輻射

11、的波長(zhǎng)。半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，故又稱雙結(jié)光電二極管。 色敏器件之所以能夠識(shí)別顏色，其理論基礎(chǔ)就是依據(jù)光的吸收特性，即當(dāng)入射到光敏二極管上的光照強(qiáng)度保持一定時(shí)，輸出的光電流則隨入射光的波長(zhǎng)的改變而變化，光敏二極管的光敏特性，從PN結(jié)表面開(kāi)始，隨結(jié)的深度而變化，這樣由于光的波長(zhǎng)不同，便可以反射出顏色的差異。1. 光敏二極管工作原理用半導(dǎo)體硅制造的光敏二極管，在受光照射時(shí)，若入射光子的能量hf大于硅的禁帶寬度Eg，則光子就激發(fā)價(jià)帶子中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生一對(duì)電子空穴。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子-空穴通稱為光生載流子。光敏二極管的基本部分是一個(gè)P-N結(jié)。產(chǎn)生的光生載

12、流子只要能擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)的邊界，其中少數(shù)載流子就受勢(shì)壘區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的吸引而被拉向背面區(qū)域。這部分少數(shù)載流子就對(duì)電流做出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子則受勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的排斥而留在勢(shì)壘的邊緣。在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴則分別被電場(chǎng)掃向N區(qū)和P區(qū)，它們對(duì)電流也有貢獻(xiàn)。當(dāng)P-N結(jié)開(kāi)路或接有負(fù)載時(shí), 勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)收集的光生載流子便要在勢(shì)壘區(qū)兩邊積累, 從而使P區(qū)電位升高, N區(qū)電位降低, 造成一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì), 如圖9-11（b）所示。該電動(dòng)勢(shì)使原P-N結(jié)的勢(shì)壘高度下降為q（U-U）。其中V即光生電動(dòng)勢(shì),它相當(dāng)于在P-N結(jié)上加了正向偏壓。只不過(guò)這是光照形成的, 而不是電源饋送的, 這稱為光生電壓, 這種現(xiàn)象就是光生伏特效

13、應(yīng)。 當(dāng)P-N結(jié)外電路短路時(shí), 這個(gè)光電流將全部流過(guò)短接回路, 即從P區(qū)和勢(shì)壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過(guò)外短接回路全部流到P區(qū)電極處, 與P區(qū)流出的光生空穴復(fù)合。這時(shí), P-N結(jié)中的載流子濃度保持平衡值, 勢(shì)壘高度亦無(wú)變化。半導(dǎo)體色敏傳感器中所表示的P-N-P不是晶體管, 而是結(jié)深不同的兩個(gè)P-N結(jié)二極管, 淺結(jié)的二極管是P-N結(jié); 深結(jié)的二極管是P-N結(jié)。 當(dāng)有入射光照射時(shí), P、N、P三個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘區(qū)中都有光子吸收, 但效果不同。因此，紫外光部分吸收系數(shù)大, 經(jīng)過(guò)很短距離已基本吸收完畢。在此, 淺結(jié)的即是光電二極管對(duì)紫外光的靈敏度高, 而紅外部分吸收系數(shù)較小, 這類波長(zhǎng)的光子則主要在

14、深結(jié)區(qū)被吸收。 因此, 深結(jié)的那只光電二極管對(duì)紅外光的靈敏度較高。在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL(zhǎng)分別具有不同的靈敏度。這一特性可以用來(lái)測(cè)量入射光的波長(zhǎng)。硅色敏管中VD和VD的光譜響應(yīng)曲線就構(gòu)成了可以測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。色敏傳感器的應(yīng)用 半導(dǎo)體色敏傳感器可用于測(cè)量光源的色溫度、波長(zhǎng)；測(cè)量、控制光源的色溫度；選擇、鑒別發(fā)光二極管的發(fā)光波長(zhǎng)；識(shí)別彩色紙的顏色；識(shí)別色標(biāo)；檢查顏料、染料的顏色等，如在工程實(shí)際中, 常需對(duì)顏色進(jìn)行檢測(cè), 如工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、彩色電視機(jī)的顏色調(diào)整、商品代碼顏色的讀取、機(jī)器人顏色識(shí)別等。3、 離子敏傳感器 離子敏傳感器工作原理離子敏感器件是一種對(duì)離子具有選擇敏

15、感作用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它是由離子選擇性電極（ISE）與金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）組合而成的，簡(jiǎn)稱ISFET。 離子傳感器是將溶液中的離子活度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器、其基本原理是利用固定在敏感膜上的離子識(shí)別材料有選擇性的結(jié)合被傳感的離子，從而發(fā)生膜電位或膜電壓的改變，達(dá)到檢測(cè)的目的。 1.ISFET的工作原理 ISFET用對(duì)離子有選擇性影響的敏感膜替換普通的MOSFET的金屬鋁柵，當(dāng)敏感膜直接接觸被測(cè)離子溶液時(shí)，與離子相互作用，調(diào)制場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極電流，以檢測(cè)溶液中離子的活度。 ISFET的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，沒(méi)有金屬柵極，柵介質(zhì)裸露或在其上涂敷對(duì)離子敏感的敏感膜，與參比電極

16、以及待測(cè)溶液一起起著柵電極的作用。參比電極上所加的電壓通過(guò)待測(cè)溶液加到絕緣柵上，是半導(dǎo)體表面反型，形成導(dǎo)電溝道。如果參比電極上施加的電壓正好使半導(dǎo)體表面反型，這時(shí)參比電極上的電壓稱為閾值電壓。對(duì)于特定結(jié)構(gòu)的ISFET，閾值電壓的變化只由電解液與柵介質(zhì)界面處的化學(xué)勢(shì)決定，而化學(xué)勢(shì)的大小取決于敏感膜的性質(zhì)和電解液中的離子活度。因此通過(guò)ISFET閾值電壓的變化能夠測(cè)量電解液中離子的活度。 2. 離子敏感膜 離子敏感膜是ISFET的重要部分，是響應(yīng)不同離子并將其化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的關(guān)鍵。不同的柵介質(zhì)和敏感膜可以派生出多種ISFET。如無(wú)機(jī)絕緣膜、固態(tài)敏感膜、有機(jī)高分子PVC膜。 離子敏傳感器的應(yīng)用可以

17、用來(lái)測(cè)量離子敏感電極(ISE)所不能測(cè)量的生物體中的微小區(qū)域和微量離子。因此，它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有很強(qiáng)的生命力。此外，在環(huán)境保護(hù)、化工、礦山、地質(zhì)、水文以及家庭生活，醫(yī)學(xué)，生理學(xué)等各方面都有其應(yīng)用。4、氣敏傳感器 氣敏傳感器的工作原理半導(dǎo)體氣敏傳感器，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或者測(cè)量其濃度的傳感器的總稱。氣敏傳感器可以把氣體的特定成分和濃度檢測(cè)出來(lái)，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。 氣敏傳感器是在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測(cè)氣體相互作用使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂

18、移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過(guò)測(cè)量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。 按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時(shí)，其阻值變化來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度； 非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來(lái)測(cè)被測(cè)氣體的。 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分

19、殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時(shí)， 吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附， 半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。 當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。下圖表示了氣體接觸N型半導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化?？梢詮淖柚档淖兓弥綒怏w的種類和濃度。1.電阻型氣敏原件圖(a)為燒結(jié)型氣

20、敏器件。這類器件以SnO2半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，用加熱、加壓、溫度為700900的制陶工藝燒結(jié)成形。因此，被稱為半導(dǎo)體陶瓷， 簡(jiǎn)稱半導(dǎo)瓷。燒結(jié)型器件制作方法簡(jiǎn)單，器件壽命長(zhǎng)；但由于燒結(jié)不充分，器件機(jī)械強(qiáng)度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應(yīng)用受到一定限制。 圖(b)為薄膜型器件。它采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜，制作方法也很簡(jiǎn)單。SnO2半導(dǎo)體薄膜的氣敏特性最好， 但這種半導(dǎo)體薄膜為物理性附著，因此器件間性能差異較大。 圖(c)為厚膜型器件。這種器件是將氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣

21、基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的。由于這種工藝制成的元件機(jī)械強(qiáng)度高，離散度小，適合大批量生產(chǎn)。 2.非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容電壓特性的變化以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MO的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。 （1） MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏元件制作過(guò)程是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)金屬薄膜，作為柵電極，如圖(a)所示。由于SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)如圖(b)，因此由等效電路可知，總電容C也是柵

22、偏壓的函數(shù)。其函數(shù)關(guān)系稱為該類MOS二極管的C-U特性，如圖（c）曲線a所示。由于鈀對(duì)氫氣(H2)特別敏感，當(dāng)鈀吸附了H2以后，會(huì)使鈀的功函數(shù)降低，導(dǎo)致MOS管的C-U特性向負(fù)偏壓方向平移，如圖(c)曲線b所示。根據(jù)這一特性就可用于測(cè)定H2的濃度。（2)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣敏器件 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)， 參見(jiàn)下圖。當(dāng)H2吸附在Pd柵極上時(shí)，會(huì)引起Pd的功函數(shù)降低。當(dāng)柵極(G)、源極(S)之間加正向偏壓UGS，且UGSUT(閾值電壓)時(shí)，則柵極氧化層下面的硅從P型變?yōu)镹型。 這個(gè)N型區(qū)就將源極和漏極連接起來(lái)，形成導(dǎo)電通道，即為N型溝道。此時(shí)，MOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)。若此時(shí)，在源(S)漏(D

23、)極之間加電壓UDS，則源極和漏極之間有電流(IDS)流通。ISD隨UDS和UGS的大小而變化，其變化規(guī)律即為MOSFET的伏-安特性。 當(dāng)UGSUT時(shí)，MOSFET的溝道未形成， 故無(wú)漏源電流。UT的大小除了與襯底材料的性質(zhì)有關(guān)外，還與金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)有關(guān)。PdMOSFET氣敏器件就是利用H2在鈀柵極上吸附后引起閾值電壓UT下降這一特性來(lái)檢測(cè)H2濃度的。氣敏傳感器應(yīng)用 半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長(zhǎng)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。最早用于可燃?xì)怏w及瓦斯泄漏報(bào)警器，有毒氣體的檢測(cè)、容器或管道的泄漏，環(huán)境監(jiān)測(cè)、鍋爐及汽車的燃燒監(jiān)測(cè)與控制、工業(yè)過(guò)

24、程的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制熱水器等方面。5、濕敏傳感器濕敏傳感器工作原理濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過(guò)器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)的器件。1.氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成，如圖所示。氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體,當(dāng)溶液置于一定溫濕場(chǎng)中, 若環(huán)境相對(duì)濕度高, 溶液將吸收水分， 使?jié)舛冉档? 因此, 其溶液電阻率增高。 反之, 環(huán)境相對(duì)濕度變低時(shí), 則溶液濃度升高, 其電阻率下降, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。 氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)是滯后小, 不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速影響,但其耐熱性差, 不能用于

25、露點(diǎn)以下測(cè)量, 器件性能的重復(fù)性不理想, 使用壽命短。 2.半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO、2-V2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等, 前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降, 故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。 負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理 由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng), 當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí), 就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子, 使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。如果該半導(dǎo)瓷是型半導(dǎo)體, 則由于水分子吸附

26、使表面電勢(shì)下降。若該半導(dǎo)瓷為型, 則由于水分子的附著使表面電勢(shì)下降。如果表面電勢(shì)下降較多, 不僅使表面層的電子耗盡, 同時(shí)吸引更多的空穴達(dá)到表面層, 有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度, 出現(xiàn)所謂表面反型層, 這些空穴稱為反型載流子。圖9 - 5表示了幾種負(fù)特性半導(dǎo)瓷阻值與濕度之關(guān)系。正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理認(rèn)為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí),導(dǎo)致其表面層電子濃度下降,于是,表面電阻將由于電子濃度下降而加大,這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的,表面電導(dǎo)占的比例很大,

27、故表面層電阻的升高,將引起總電阻值的明顯升高。典型半導(dǎo)瓷濕敏元件1.MgCr2O4-TiO2濕敏元件氧化鎂復(fù)合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好。2.ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件 ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的金電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過(guò)濾的方形塑料盒中用樹(shù)脂固定。ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量濕度，而無(wú)須加熱除污裝置，因此功耗低，體積小，成本低，是一種常用測(cè)濕傳感器。 3.四氧化三鐵（Fe3O4）濕敏器件四氧化三鐵濕敏器

28、件由基片、電極和感濕膜組成。Fe3O4濕敏器件在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗結(jié)露能力，測(cè)濕范圍廣，有較為一致的濕敏特性和較好的溫度-濕度特性，但器件有較明顯的濕滯現(xiàn)象，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。 濕敏傳感器的應(yīng)用 濕敏傳感器已經(jīng)廣泛地用于各種場(chǎng)合的濕度監(jiān)測(cè)、控制與報(bào)警，工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、林業(yè)和畜牧業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。3、 半導(dǎo)體傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)半導(dǎo)體傳感器使用半導(dǎo)體材料，利用半導(dǎo)體材料對(duì)周圍環(huán)境的敏感性制成各種傳感器，除上述磁敏、色敏、離子敏、氣敏、濕敏等半導(dǎo)體傳感器外，還有力敏，熱敏，溫度敏、生物敏等種類繁多的傳感器。 隨著傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大依賴于各學(xué)科的發(fā)展和相互滲透，傳感器不斷向高精度化、高可靠性、微功耗及無(wú)源化等方向發(fā)展，更精一步向智能化、微型化、集成化方向發(fā)展。 21世紀(jì)人類將進(jìn)入“3T”（1T=10 ）紀(jì)元，作為信息技術(shù)的重要組成部分的半導(dǎo)體傳感器的主要發(fā)展趨勢(shì)是，發(fā)展基于新原理，新材料和新技術(shù)的更加靈敏、精確、智能化和人性化的傳感器材料與器件，以滿足信息技術(shù)的迅速發(fā)展。