半导体式传感器(第七章)课件.ppt

1、主要内容：1.掌握半导体气敏传感器的概念；掌握半导体气敏传感器的概念；2.2.熟悉半导体材料的导电机理；熟悉半导体材料的导电机理；3.3.了解电阻型气敏器件的结构；了解电阻型气敏器件的结构；4.4.掌握湿敏电阻的基本原理；掌握湿敏电阻的基本原理；5.5.掌握磁阻效应；掌握磁阻效应；6.6.掌握半导体色敏传感器的基本原理掌握半导体色敏传感器的基本原理；教学要求教学要求概述概述概述概述纸纸 品品木材烘干木材烘干 湿度传感器湿度传感器 芯片生产要求最高的湿度稳定性芯片生产要求最高的湿度稳定性概述概述气敏传感器湿敏 传感器 半导体气敏传感器的分类半导体气敏传感器的分类：（1）按照半导体变化的物理性质，

2、又可分为：）按照半导体变化的物理性质，又可分为：电阻型半导体气敏元件电阻型半导体气敏元件：利用敏感材料接触气体：利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度 非电阻型半导体气敏元件非电阻型半导体气敏元件：利用其它参数的变化：利用其它参数的变化来检测气体的，如二极管的伏安特性。来检测气体的，如二极管的伏安特性。（2）按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限）按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为：于半导体表面或深入到半导体内部，可分为：表面控制型气敏电阻表面控制型气敏电阻 体控制型气敏电阻体控制型气敏电阻半导

3、瓷材料半导瓷材料SnOSnO2 2为例说明气敏半导材料为例说明气敏半导材料的导电机理。的导电机理。SnOSnO2 2是是N N型半导体，其导电型半导体，其导电机理可以用吸附效应来解释。机理可以用吸附效应来解释。图图7-17-1（a a）为烧结体）为烧结体N N型半导瓷的模型。型半导瓷的模型。它是多晶体，晶粒间有较高的电阻，晶它是多晶体，晶粒间有较高的电阻，晶粒内部电阻较低。图中分别以空白部分粒内部电阻较低。图中分别以空白部分和黑点部分示意表示。导电通路的等效和黑点部分示意表示。导电通路的等效电路如图电路如图7-17-1（b b）所示。图中）所示。图中RnRn为颈部为颈部等效电阻，等效电阻，Rb

4、Rb为晶粒的等效体电阻，为晶粒的等效体电阻，RsRs为晶粒的等效表面电阻。其中为晶粒的等效表面电阻。其中RbRb的阻值的阻值较低，它不受吸附气体影响。较低，它不受吸附气体影响。RsRs和和RnRn则则受吸附气体所控制，且受吸附气体所控制，且 。由于由于RsRs被被RbRb所短路。由此可见，半导体所短路。由此可见，半导体气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变。种类而改变。bnbsRRRR,当半导体气敏传感器在洁当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下降，然时，其阻值急剧下降，然后上升，经后上升，经2min2min4

5、min4min后后达到稳定，这段时间为达到稳定，这段时间为初初始稳定时间始稳定时间，元件只有在，元件只有在达到初始稳定状态后才可达到初始稳定状态后才可用于气体检测。当电阻值用于气体检测。当电阻值处于稳定值后，会随被测处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而发生变气体的吸附情况而发生变化，阻值发生变化的时间化，阻值发生变化的时间(称响应时间称响应时间)不到不到1min1min，其电阻的变化规律视气体其电阻的变化规律视气体的性质而定。的性质而定。图图 SnO2气敏元件电阻气敏元件电阻 与吸附气体关系与吸附气体关系 如果被测气体是氧化如果被测气体是氧化性气体性气体(如如O O2 2、NOx)，被吸附气

6、体分子从气敏被吸附气体分子从气敏元件得到电子，使元件得到电子，使N N型型半导体中载流子电子减半导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。少，因而电阻值增大。如果被测气体为还原性气体如果被测气体为还原性气体,气体分子向气敏气体分子向气敏元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电阻值下降。阻值下降。所谓还原性气体就是在化学所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、

7、氢气乙烷、煤气、天然气、氢气等。等。当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到N N型半导体上，还原型气型半导体上，还原型气体吸附到体吸附到P P型半导体上，将使载流子浓度减少，型半导体上，将使载流子浓度减少，电阻增大。电阻增大。当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N N型半导体上，氧化型气型半导体上，氧化型气体吸附到体吸附到P P型半导体上，载流子浓度增加，电型半导体上，载流子浓度增加，电阻减少。阻减少。注意：注意：1 1、烧结型、烧结型烧结型气敏器件的制作是将一定配比的敏感材料（烧结型气敏器件的制作是将一定配比的敏感材料（SnOSnO2 2、InOInO）及掺杂剂（）及掺杂剂（PtPt、PbPb

8、）等以水或粘合剂调和，经研磨后）等以水或粘合剂调和，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，用使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，用传统的制陶方法进行烧结。烧结时埋入加热丝和测量电极，传统的制陶方法进行烧结。烧结时埋入加热丝和测量电极，最后将加热丝和测量电极焊在座上，加特制外壳构成器件。最后将加热丝和测量电极焊在座上，加特制外壳构成器件。这种器件一般分为这种器件一般分为内热式内热式和和旁热式旁热式两种结构，如图两种结构，如图7-27-2和图和图7-37-3所示。所示。2 2、薄膜型、薄膜型薄膜型气敏器件的制作首先须处理基片（玻璃石英式陶薄膜型气敏器件的制作首先须

9、处理基片（玻璃石英式陶瓷）；焊接电极，之后有采用蒸发或溅射方法在石英基片上瓷）；焊接电极，之后有采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。实验测得形成一薄层氧化物半导体薄膜。实验测得SnO2SnO2和和ZnOZnO薄膜的薄膜的气敏特性较好。气敏特性较好。薄膜型器件外形结构如图薄膜型器件外形结构如图7-47-4所示。这种器件具有较高的所示。这种器件具有较高的机械强度，而且具有互换性好，产量高，成本低等优点。机械强度，而且具有互换性好，产量高，成本低等优点。3 3、厚膜型、厚膜型为解决器件一致性问题，为解决器件一致性问题，19771977年发展了厚膜型器件。它年发展了厚膜型器件。它

10、是有是有SnOSnO2 2和和ZnOZnO等材料与等材料与3%-15%3%-15%（重量）的硅凝胶混合制成（重量）的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到事先安装有铂电极能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到事先安装有铂电极的的AlAl2 2O O3 3基片上，以基片上，以400-800400-800烧结烧结1h1h制成。其结构如图制成。其结构如图7-57-5所所示。厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适于批示。厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。量生产，是一种有前途的器件。各种可燃性气体的浓度与传感器电阻变化率的关系各种可燃性气体的浓度

11、与传感器电阻变化率的关系 SnO2气敏器件温湿度特性气敏器件温湿度特性返回1 1、二极管气敏传感器、二极管气敏传感器 金属和半导体接触的界面形成肖金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。特基势垒，构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半导体金属的电子管子加正偏压，半导体金属的电子流增加，加负偏压，几乎无电流。流增加，加负偏压，几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化。垒降低，电流变化。非电阻型半导体气敏传感器主要非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。用于氢气浓度测量。MOSMOS二极管气敏元件结构和等效电路二极管气敏元件

12、结构和等效电路 3 3、MOSFETMOSFET气敏元件气敏元件 PdPd对对H2H2吸附性很强，吸附性很强，H2H2吸附在吸附在PdPd栅上引起的栅上引起的Pd Pd 功函数降低。当栅极（功函数降低。当栅极（G G）源极（）源极（S S）间加正向偏）间加正向偏 压压UGSUTUGSUT阀值时，栅极氧化层下的硅从阀值时，栅极氧化层下的硅从P P变为变为N N型，型，N N型区将型区将S S（源）和（源）和 D D（漏）连接起来，（漏）连接起来，形成导电通道（形成导电通道（N N型型 沟道）此时沟道）此时MOSFET MOSFET 进入工作状态。进入工作状态。钯钯Pd Pd MOSFETMOSF

13、ET管结管结构构 在在S S D D间加电压间加电压U UDSDS，S S D D间有电流间有电流I IDS DS 流过，流过，I IDSDS随随U UDSDS、U UGSGS变化。当变化。当U UGSGSUUT T时，沟时，沟 道没形成，无漏源电流道没形成，无漏源电流I IDS DS=0=0。U UT T（阀值）电压大小与金属与半导体间的功（阀值）电压大小与金属与半导体间的功 函数有关。函数有关。Pd Pd MOSFET MOSFET器件就是利用器件就是利用H H2 2在钯栅极吸附在钯栅极吸附 后改变功函数使后改变功函数使U UT T下降，检测下降，检测H H2 2浓度。浓度。气敏电阻外形气

14、敏电阻外形 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器家用家用报警报警器电器电路图路图 这种测量回路能承受较高交流电压这种测量回路能承受较高交流电压,因此因此,可直可直接由市电供电接由市电供电,不加复杂的放大电路不加复杂的放大电路,就能驱动蜂鸣就能驱动蜂鸣器等来报警。这种报警器的工作原理是器等来报警。这种报警器的工作原理是:蜂鸣器与蜂鸣器与气敏器件构成了简单串联电路，当气敏器件接触到气敏器件构成了简单串联电路，当气敏器件接触到泄漏气体泄漏气体(如煤气、液化石油气如煤气、液化石油气)时时,其阻值降低其阻值降低

15、,回回路电流增大路电流增大,达到报警点时蜂鸣器便发出警报。达到报警点时蜂鸣器便发出警报。NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器 烟气分析仪烟气分析仪Ceramic substrateConnection wiresBase electrode Porouscover-electrode Polymer layer 上上 电电 极极 下下 电电 极极 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 为什么要测量湿度为什么要测量湿度?温温湿度变送器湿度变送器h,Tx室室 内内 空空 气气 质质 量量 100%rH贮贮 存存 /催催 熟熟生生 产产 空空 气气 质质 量量烘烘 干干 过过

16、 程程-耗费最低的能量耗费最低的能量-达到达到/保持成品的最佳品质保持成品的最佳品质-让设备高效率地进行生产让设备高效率地进行生产-更舒适更舒适-更高的工作效率更高的工作效率-使产品或原材料达到最佳品质使产品或原材料达到最佳品质湿度是指空气中的水蒸气含量，通常用绝对湿湿度是指空气中的水蒸气含量，通常用绝对湿度和相对湿度表示：度和相对湿度表示：绝对湿度绝对湿度：一定温度和压力条件下，每单位体积的：一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量。用混合气体中所含水蒸气的质量。用AHAH表示。单位：表示。单位：g/mg/m3 3 相对湿度相对湿度：空气中实际所含水蒸气密度（即绝对湿：空

17、气中实际所含水蒸气密度（即绝对湿度）与同温度下饱和水蒸气密度的百分比值，用度）与同温度下饱和水蒸气密度的百分比值，用%RHRH表示，是一个无量纲的量。是日常生活中常用表示，是一个无量纲的量。是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%100%时，称时，称饱和状态。饱和状态。氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻，利用吸氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻，利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。的测湿元件。典型的类型：典型的类型：登莫式和浸渍式登莫式和浸渍式 在氯化锂（在氯化锂（LiClLiCl）溶液中，）

18、溶液中，LiLi和和ClCl以正负离以正负离子的形式存在，锂离子（子的形式存在，锂离子（Li+Li+）对水分子的吸）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。电率上升。1、半导体陶瓷湿敏元件的导电机理、半导体陶瓷湿敏元件的导电机理负机理：氢原子具有很强的正电场负机理：氢原子具有很强的正电场吸附电子吸附电子半导瓷表面带负电半导瓷表面带负电吸附电子的同时也吸引空穴电阻吸附电子的同时也吸引空穴电阻1)、负特性、负特性 半导体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属半导体陶瓷湿敏

19、电阻通常用两种以上的金属 氧化物氧化物半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正湿度半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正湿度 系数和负湿度系数两种。系数和负湿度系数两种。2023-1-138）106105104103020406080100%电阻（相对湿度（%RH）水中氢原子为正电场，吸附表面时可以俘获电子，使水中氢原子为正电场，吸附表面时可以俘获电子，使半导体表面带负电。半导体表面带负电。如果是如果是P型型半导体，由于水分子吸附，将吸引更多的半导体，由于水分子吸附，将吸引更多的空穴空穴至达其表面，使表面电阻率下降；至达其表面，使表面电阻率下降；若是若是N型型半导体，水的附着使半导体，水的附着使表面表面电势电势

20、下降甚多，吸引更多的空下降甚多，吸引更多的空穴到达表面，使表面的空穴浓度大穴到达表面，使表面的空穴浓度大于电子浓度也会使于电子浓度也会使电阻下降电阻下降，将使，将使半导体呈现负特性。半导体呈现负特性。2)、正特性、正特性 当水份子附着半导瓷表面使当水份子附着半导瓷表面使电势变负电势变负时，导致电子时，导致电子浓度下降，此时以电子导电为主，由于电子浓度下降，浓度下降，此时以电子导电为主，由于电子浓度下降，致使电阻加大，又由于晶体内部低阻支路的存在，正特致使电阻加大，又由于晶体内部低阻支路的存在，正特性性电阻的升高电阻的升高，没有负特性电阻下降明显。，没有负特性电阻下降明显。半导瓷的电阻率随湿半导

21、瓷的电阻率随湿度的增加而增大，称为正湿度的增加而增大，称为正湿敏特性。敏特性。8001002014016018020022012040 60 80100%2023-1-140Fe3O4正特性半导瓷湿正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的敏电阻阻值与湿度的关系曲线。关系曲线。正湿敏特性半导体瓷湿敏正湿敏特性半导体瓷湿敏 电阻（例：电阻（例：FeFe3 3O O4 4），材料结构、），材料结构、电子能量状态与负特性不同，总电子能量状态与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻值下的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。降的明显。烧结型烧结型MgCr2O4-TiO2湿敏传感器结构湿敏传感器结构 隔漏环底板接线

22、柱感湿体引线1234加热丝感湿体RuO2电极2023-1-142湿敏传感器湿敏传感器-应用应用2023-1-143直读式湿度计直读式湿度计 RH为氯化锂湿度传感器，为氯化锂湿度传感器，VT1、VT2、T1等组成测湿电等组成测湿电桥的电源桥的电源,其振荡频率为其振荡频率为2501000 Hz。电桥输出级变压器电桥输出级变压器T2,C3耦合到耦合到VT3,经经VT3放大后的信号放大后的信号,由由VD1VD4桥式整流桥式整流后后,输入给微安表输入给微安表,指示出由于相对湿度的变化引起电流的指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变改变,经标定并把湿度刻划在微安表盘上经标定并把湿度刻划在微安表盘上,就成为

23、一个简单就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。而实用的直读式湿度计了。湿敏传感器湿敏传感器-应用应用湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用 2.自动气象站湿度测报 湿度传感器广泛用于自动气象站的遥测装置上，采用耗电量很小的湿度传感器可以由蓄电瓶供电长期自动工作，几乎不需要维护。用于无线电遥测自动气象站的湿度测报原理方框图如图所示。无线电遥测自动气象站的湿度测报原理方框图 氯化锂湿度传感器将被测湿度转换为电阻值，Rf转换电路将此电阻值R转换为相应的频率f，再经自校准器控制使频率f与相对湿度一一对应，最后经门电路记录在自动记录仪上。如果需要远距离数据传输，则还需要将得到的数字量编码，调制到无线电载波上发

24、射出去。3.湿度控制电路 湿度控制电路如图所示。振荡电路用时基电路IC1、D触发器IC2组成。IC1产生4Hz的脉冲信号，经IC2后变为2Hz的对称方波作为湿度器件的电源，由IC3组成比较器。在比较器的同相输入端接入基准电压，调节电位器RP可以设定控制的相对湿度。湿度控制电路 4.汽车后窗玻璃自动去湿装置 图是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。其目的是防止驾驶室的挡风玻璃结露或结霜，保证驾驶员视线清楚，避免事故发生。该电路也可用于其他需要去湿的场合。汽车后窗玻璃自动去湿装置硬质面粉水(鸡蛋)配料配料成形成形烘干烘干剪切剪切/包装包装60%RH.湿度过低湿度过低:.湿度过高湿度过高:30

25、%的水份含量 利于面条的成形12.5%的水分含量便于贮存面条1.表面坚硬2.内部水份蒸发产生的压力导致表面被破坏精确的烘干 过程需要避免.表面松软易霉变70-120C(160-250F)最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 面条烘干面条烘干颗颗 粒粒 产产 品品处理 易潮材料易潮材料 对 空气质量空气质量 的要求 更高更高 纸纸 品品纺纺 织织 品品能源能源耗费高最佳 产品质量产品质量产生静电静电 RH 高高RH 低低喷喷 漆漆 生生 产产 线线漆面过湿湿最佳 产品质量产品质量漆面过干干确定油漆中的水份含量需要非常精确的RH值!食食 品品 生生 产产 最最 新新 湿湿 度

26、度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 生产过程的空气质量生产过程的空气质量电子式电子式温湿度计温湿度计机械机械式、式、电子式电子式温湿度计对比温湿度计对比，220(10.273)BB磁阻效应方程式磁阻效应方程式无磁场时的无磁场时的电阻率电阻率 存在磁感应强存在磁感应强度为时的电阻度为时的电阻率率 电子迁移率电子迁移率 220(10.273)BB0B222200.273BKB电阻率的变化：电阻率的变化：电阻率的相对变化：电阻率的相对变化：可见：当磁场可见：当磁场B B一定时，迁移率越高的材料一定时，迁移率越高的材料（如（如InSbInSb、InAsInAs、NiSbNiSb等半导体材料），其磁

27、等半导体材料），其磁阻效应越明显，更适合于制作磁敏电阻。阻效应越明显，更适合于制作磁敏电阻。2、磁敏电阻的形状、磁敏电阻的形状 磁阻效应除了与电子的迁移率和磁场磁阻效应除了与电子的迁移率和磁场B B有关（物理有关（物理磁阻效应），还与元件的几何形状有关磁阻效应），还与元件的几何形状有关 常见的磁敏电阻是圆盘形的，中心和边缘处为两电常见的磁敏电阻是圆盘形的，中心和边缘处为两电极。叫科尔比诺圆盘。其磁阻效叫科尔比诺效应。极。叫科尔比诺圆盘。其磁阻效叫科尔比诺效应。考虑几何磁阻效应，半导体磁敏电阻的磁阻效应方考虑几何磁阻效应，半导体磁敏电阻的磁阻效应方程式为：程式为：lb形状效应系数形状效应系数 2

28、0()1(/)KBf l w b几何形状与磁阻变化特性 3 3磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用非常广泛。除了用它做成探头，磁敏电阻的应用非常广泛。除了用它做成探头，配上简单线路可以探测各种磁场外，在测量方面配上简单线路可以探测各种磁场外，在测量方面还可制成位移检测器、角度检测顺、功率计、安还可制成位移检测器、角度检测顺、功率计、安培计等。此外，还可用磁敏电阻制成交流放大器、培计等。此外，还可用磁敏电阻制成交流放大器、振荡器等。振荡器等。磁敏传感器利用磁阻效应，将三维方向的三个磁敏磁敏传感器利用磁阻效应，将三维方向的三个磁敏传感器件集成在同一个芯片上，可以很好地感测地传感器件集成在同一

29、个芯片上，可以很好地感测地球磁场。如将它装在公路上或通道的上方，当含有球磁场。如将它装在公路上或通道的上方，当含有铁性物质的汽车驶过时，会干扰地磁场的分布。根铁性物质的汽车驶过时，会干扰地磁场的分布。根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，也据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的不同扰动来识别车可以根据不同车辆对地磁产生的不同扰动来识别车辆类型。辆类型。磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 根据铁磁物体根据铁磁物体对地磁的扰动，对地磁的扰动，可检测车辆的可检测车辆的存在，可用于存在，可用于包括自动开门，包括自动开门，路况监测，停路况监测，停车场检测，车车场检测，车

30、辆位置监测，辆位置监测，红绿灯控制等。红绿灯控制等。磁阻磁阻IC用于转速测量用于转速测量 磁力线集中磁力线集中磁力线分散磁力线分散磁阻磁阻IC用于笔式验钞器用于笔式验钞器 验钞笔顺着纸币上验钞笔顺着纸币上的磁性防伪线扫描的磁性防伪线扫描 InSb磁敏电阻无触点开关利用磁敏电阻制作小型探矿仪利用磁敏电阻制作小型探矿仪（磁力仪）（磁力仪）用于铁矿的勘探用于铁矿的勘探 磁敏电阻磁敏电阻（聚四氟乙（聚四氟乙烯封装）烯封装）磁力磁力 探矿仪探矿仪的使用的使用磁敏电阻小型探矿仪磁敏电阻小型探矿仪PNI区rPN结型的磁结型的磁电转换元件电转换元件I I 区：高阻区：高阻/本征区本征区P P、N N：掺杂区：

31、掺杂区P-I-NP-I-N结结I I 区两侧处理：区两侧处理：光滑：光滑：I I 面面打毛：复合面（打毛：复合面（r r 面）面）PNI区rPNI面rHPNI面rHPNI面r工作原理工作原理磁场磁场H=0H=0：少量电子和空穴在少量电子和空穴在 I I 区、区、r r区复合区复合正向磁场正向磁场 H H+：电子和空穴偏向电子和空穴偏向 r r 区，电流因区，电流因复合增大而减小，基区的等效电复合增大而减小，基区的等效电阻增大阻增大反向磁场反向磁场 H-H-：电子和空穴偏向电子和空穴偏向 I I 区，电流区，电流因复合减少而增大，基区的等因复合减少而增大，基区的等效电阻减小效电阻减小磁敏二极管与

32、其他磁敏器件相比，具有以下特点：磁敏二极管与其他磁敏器件相比，具有以下特点：（1）灵敏度高。磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至）灵敏度高。磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。（2）具有正反磁灵敏度。这一点是磁阻器件所欠缺的。故磁）具有正反磁灵敏度。这一点是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二极管可用作无触点开关。敏二极管可用作无触点开关。（3）灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄。这一点不如霍）灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄。这一点不如霍尔元件。磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合于尔元

33、件。磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合于测量弱磁场；可制作箍位电流计，对高压线进行不断线、无测量弱磁场；可制作箍位电流计，对高压线进行不断线、无接触电流测量，还可作无触点开关，无接触电位计等。接触电流测量，还可作无触点开关，无接触电位计等。u利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其 电流发生变化，于是就实现磁电转换电流发生变化，于是就实现磁电转换。半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种，其半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种，其工作原理是基于半导体的工作原理是基于半导体的内光电效应内光电效应，将光信号，将光信号变成电信号。变成电信号。一般的光电器件是检

34、测在一定波长范围内的光强一般的光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或光子数目，而色敏传感器可以直接测量从可度或光子数目，而色敏传感器可以直接测量从可见光到近红外波段内单色光的波长。见光到近红外波段内单色光的波长。1、光电二极管的工作原理、光电二极管的工作原理光照射光照射PN结时，若结时，若hEg，使价带中的电子跃迁到导带，而使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向场的作用下，电子偏向N区外侧，区外侧，空穴偏向空穴偏向P区外侧，使区外侧，使P区带正电，区带正电，N区带负电，形成光生电动势。区带负电，形成光生电动势。PNS0Px n

35、xx 光在半导体中传播时的衰光在半导体中传播时的衰减，是由于价带电子吸收光子减，是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果。而从价带跃迁到导带的结果。这种吸收光子的过程称为本征这种吸收光子的过程称为本征吸收，硅的本征吸收系数随入吸收，硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图所示。射光波长变化的曲线如图所示。由图可见，在红外部分吸收系由图可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。数小，紫外部分吸收系数大。这就表明，波长短的光子衰减这就表明，波长短的光子衰减较快，穿透深度较浅，而波长较快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深的长的光子则能进入硅的较深的区域。区域。对于光电器件而

36、言，还常用对于光电器件而言，还常用量量子效率子效率来表征光生电子流与入来表征光生电子流与入射光子流的比值大小。其物理射光子流的比值大小。其物理意义是单位时间内每入射一个意义是单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。根光子所引起的流动电子数。根据理论计算可以得到，据理论计算可以得到，P P区在不区在不同结深时量子效率随波长变化同结深时量子效率随波长变化的曲线如图所示。图中即表示的曲线如图所示。图中即表示结深。结深。浅的浅的P-NP-N结有较好的蓝紫结有较好的蓝紫光灵敏度，深的光灵敏度，深的P-NP-N结则有利于结则有利于红外灵敏度的提高，半导体色红外灵敏度的提高，半导体色敏器件正是利用了这一

37、特性。敏器件正是利用了这一特性。半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极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，又称为双结光电二极管。管的组合，又称为双结光电二极管。P+-N-P不是三极管，不是三极管，而是结深不同的两个而是结深不同的两个P-NP-N结二极管：浅结的结二极管：浅结的光电二极管对紫外光光电二极管对紫外光灵敏度较高，深结的灵敏度较高，深结的光电二极管对红外光光电二极管对红外光灵敏度较高灵敏度较高2、半导体色敏传感器的工作原理、半导体色敏传感器的工作原理 在半导体中不同的在半导体中不同的区域对不同的波长分别区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这具有不同的灵敏度。这

38、一特性给我们提供了将一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别这种器件用于颜色识别的可能性。的可能性。硅色敏管中硅色敏管中V VD D和和V VD D的光谱响应曲线就构成了可以测的光谱响应曲线就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。定波长的半导体色敏传感器。在具体应用时在具体应用时,应先对该色应先对该色敏器件进行标定。测定不同波长的光照射下敏器件进行标定。测定不同波长的光照射下,该器件中两该器件中两只光电二极管短路电流的比值只光电二极管短路电流的比值SD2SD2SD1SD1。SD1SD1是浅结二极管的短路电流是浅结二极管的短路电流,它在短波区较大。它在短波区较大。SD2SD2是深结二极管的短路电

39、流是深结二极管的短路电流,它在长波区较大。它在长波区较大。1.光谱特性光谱特性 半导体色敏器件的光谱特性是表示它所能检测的波长范围,不同型号之间略有差别。波长范围是400-1000 nm。2.2.短路电流比短路电流比波长特性波长特性 短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力,是赖以确定被测波长的基本特性。当一定波长的单色光照射到色敏传感器上时，浅结的当一定波长的单色光照射到色敏传感器上时，浅结的短路电流和深结的短路电流不相等，采用适当的信号短路电流和深结的短路电流不相等，采用适当的信号处理电路来测量这两个电流的比值，就可以得出入射处理电路来测量这两个电流的比值，就可以得出入射光的波长，从而判断入射光的颜色。光的波长，从而判断入射光的颜色。返回