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1、第第1010章章 半导体传感器半导体传感器10.1 10.1 半导体气敏传感器半导体气敏传感器110.2 10.2 湿敏传感器湿敏传感器10.3 10.3 色敏传感器色敏传感器310.4 10.4 半导体式传感器的应用半导体式传感器的应用 4210.1 10.1 半半导导体体气气敏敏传传感器感器 气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。最多的是半导体气敏传感器。由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可
2、能用一种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传感器的种类非常多。感器的种类非常多。目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。监测、预报和自动控制。10.1 10.1 半半导导体体气气敏敏传传感器感器 10.1.1 10.1.1 气敏电阻的工作原理气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成，金属氧通
3、过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成，金属氧化物半导体分化物半导体分N N型半导体，如氧化锡、氧化铁、型半导体，如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等，氧化锌、氧化钨等，P P型半导体，如氧化钴、型半导体，如氧化钴、氧氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化剂，如钯（有时还渗入了催化剂，如钯（PdPd）、铂（）、铂（PtPt）、）、银（银（AgAg）等。）等。10.1 10.1 半半导导体体气气敏敏传传感器感器金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后金属氧化
4、物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。通常器件工作在空气中，空却显示气敏特性。通常器件工作在空气中，空气中的氧和气中的氧和NONO2 2这样的电子兼容性大的气体，这样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使果使N N型半导体材料的表面空间电荷层区域的型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电
5、子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。阻减小。10.1 10.1 半半导导体体气气敏敏传传感器感器该类气敏元件通常工作在高温状态（该类气敏元件通常工作在高温状态（200450200450），），目的是为了加速上述的氧化还原反应。目的是为了加速上述的氧化还原反应。例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下吸附某例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保持这种气体浓种气体后，其电导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器件本身温度的升高而度不变，该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加，尤其在增加，尤其在
6、100300100300范围内电导率变化很大。显范围内电导率变化很大。显然，半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增然，半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。气敏元件的基本测量电路如图加的结果。气敏元件的基本测量电路如图10-110-1（a a）所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图度的关系如图10-110-1（b b）所示。）所示。10.1 10.1 半半导导体体气气敏敏传传感器感器 图中图中E EH H为加热电源，为加热电源，E EC C为测量电源，电阻中气敏为测量电源，电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输
7、出电压电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压（信号电压）由电阻（信号电压）由电阻RoRo上取出。上取出。图图10-1 输出电压与温度关系输出电压与温度关系10.1 10.1 半半导导体体气气敏敏传传感器感器气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此，气敏元件结构上，有电阻丝加热，结构如图因此，气敏元件结构上，有电阻丝加热，结构如图10-210-2所示，所示，1 1和和2 2是加热电极，是加热电极，3 3和和4 4是气敏电阻的一对电极。是气敏电阻的一对电极。图图10-2 10-2 气敏元件结构气敏元件结构10.1 10.1 半半导导体体气
8、气敏敏传传感器感器10.1.2 10.1.2 气敏传感器的种类气敏传感器的种类气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。型、薄膜型、厚膜型。1.1.烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡（结而成。目前最常用的是氧化锡（SnOSnO2 2）烧结）烧结型气敏元件，它的加热温度较低，一般在型气敏元件，它的加热温度较低，一般在200300200300，SnOSnO2 2气敏半导体对许多可燃性气气敏
9、半导体对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。有较高的灵敏度。10.1 10.1 半半导导体体气气敏敏传传感器感器2.2.薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法，在石英薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度以下），或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度以下），构成薄膜型气敏元件。构成薄膜型气敏元件。氧化锌（氧化锌（ZnOZnO）薄膜型气敏）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，膜在基片
10、上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的锌氧化。最后将基片上的锌氧化。10.1 10.1 半半导导体体气气敏敏传传感器感器氧化锌（氧化锌（ZnOZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是锌氧化。氧化锌敏感材料是N N型半导体，当添加型半导体，当添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度，而对有较高的灵敏度，而对H
11、 H2 2、COCO2 2等气体灵敏度很等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时，对低。若用钯作催化剂时，对H H2 2、COCO有较高的灵有较高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此，这种元敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此，这种元件有良好的选择性，工作温度在件有良好的选择性，工作温度在400500400500的较的较高温度。高温度。10.1 10.1 半半导导体体气气敏敏传传感器感器3.3.厚膜型气敏元件将气敏材料（如厚膜型气敏元件将气敏材料（如SnO2SnO2、ZnOZnO）与一）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有
12、铂电极的氧化铝用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝（Al2O3Al2O3）基片上，在）基片上，在400800400800的温度下烧结的温度下烧结1212小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好，机械强度高，适于批量生产。件一致性较好，机械强度高，适于批量生产。以上三种气敏器件都附有加热器，在实际应用时，以上三种气敏器件都附有加热器，在实际应用时，加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉，加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高器件的灵敏同时加速气体氧化还原反应，从而提高器件的灵敏度和响应速度
13、。度和响应速度。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器 湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指单位空间中所含水蒸汽的绝对含量或者浓是指单位空间中所含水蒸汽的绝对含量或者浓度或者密度，一般用符号度或者密度，一般用符号AHAH表示。相对湿度表示。相对湿度是指被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下是指被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，一般用符号饱和水蒸气压的百分比，一般用符号RHRH表示。表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量相对湿度给出大气的潮湿程度
14、，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。念。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成
15、露珠，相对湿度为向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100100RHRH。该温度称为空气的露点温度，简称露点。如果这一该温度称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温度低于温度低于00时，水蒸气将结霜时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。，又称为霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。因而可用露点表示空气中的湿度。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器 根据水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内根据水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的这种特性（即水分子亲和力），湿敏传感器部的这种特性（即水分子亲和力），
16、湿敏传感器可分为水分子亲和力型湿敏传感器和非水分子亲可分为水分子亲和力型湿敏传感器和非水分子亲和力型湿敏传感器。和力型湿敏传感器。下面介绍一些至今发展比较成熟的几类湿敏传感下面介绍一些至今发展比较成熟的几类湿敏传感器。器。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发发 生变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图生变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图10-310-3所所示，由引线、基片、感湿层与电极组成示，由引线、基片、感湿层与电极组成。图图10-3 10-3 湿敏电阻结构示意图湿敏电阻结构示意图1-1-
17、引线；引线；2-2-基片；基片；3-3-感湿层；感湿层；4-4-金属电极金属电极10.2.1 10.2.1 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiClLiCl）溶）溶液中，液中，LiLi和和ClCl均以正负离子的形式存在，而均以正负离子的形式存在，而Li+Li+对水分子的对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度
18、高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。电阻率下降，从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达检测精度高达5%5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器10.2
19、.2 10.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有材料有ZnO-LiO-VZnO-LiO-V2 2O O5 5系、系、Si-NaSi-Na2 2O-VO-V2 2O O5 5系、系、TiOTiO2 2-MgO-CrMgO-Cr2 2O O3 3系、系、FeFe3 3O O4 4等，前三种材料的电阻率随等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一
20、种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷（为叙述方便，有时将半导特性湿敏半导体陶瓷（为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为半导瓷）。体陶瓷简称为半导瓷）。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器1.1.负特性湿敏半导瓷的导电机理负特性湿敏半导瓷的导电机理由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果该半面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是型半导体，则由于水分子吸附使表面导瓷是型半导体，
21、则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，于电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。是，其表面层的电阻下降。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器若该半导瓷为型，则由于水分子的附着使表若该半导瓷为型，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。
22、为反型载流子。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献，它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献，由此可见，不论是型还是型半导瓷，其电由此可见，不论是型还是型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。图阻率都随湿度的增加而下降。图10-410-4表示了几表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。图图10-4 10-4 几种半导瓷湿敏负特性几种半导瓷湿敏负特性10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器2.2.正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认
23、为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但还不变负时，导致其表面层电子浓度下降，但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。此时仍以电子导电为主。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷，它的
24、晶粒间的电加大。如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。的加大对总电阻并不起多大作用。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器不过，通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面不过，通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，必电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高；但是，由于晶体将引起总电阻值的明显升高；但是，由于晶体内部低阻支路仍然存在，正特性半导瓷的总电内部低阻支路仍然存在，正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么阻值的升高
25、没有负特性材料的阻值下降得那么明显。图明显。图10-510-5给出了给出了FeFe3 3O O4 4正特性半导瓷湿敏电正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。阻阻值与湿度的关系曲线。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器图图10-5 Fe3O410-5 Fe3O4半导瓷湿敏电阻特性半导瓷湿敏电阻特性10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器3.3.典型半导瓷湿敏元件典型半导瓷湿敏元件(1)MgCr(1)MgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2湿敏元件湿敏元件 氧化镁复合氧化物氧化镁复合氧化物二氧化钛湿敏材料通常制成二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型多孔陶瓷型“湿湿电电”转换器件，它是
26、负特性半导转换器件，它是负特性半导瓷，瓷，MgCrMgCr2 2O O4 4为型半导体，它的电阻率低，阻值为型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好，结构如图温度特性好，结构如图10-610-6所示。所示。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器图图10-6 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器结构陶瓷湿度传感器结构10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器图图10-7 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器相对湿度与电阻的关系陶瓷湿度传感器相对湿度与电阻的关系 MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系，
27、见图间的关系，见图10-710-7所示。传感器的电阻值既随所处环所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减少，又随周围环境温度的变化境的相对湿度的增加而减少，又随周围环境温度的变化而有所变化。而有所变化。10.2 10.2 湿湿敏敏传传感器感器（2 2）ZnO-CrZnO-Cr2 2O O3 3陶瓷湿敏元件陶瓷湿敏元件ZnO-CrZnO-Cr2 2O O3 3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方塑料盒中用树脂后将敏感元件装入有网眼过滤的
28、方塑料盒中用树脂固定而做成的，其结构如图固定而做成的，其结构如图10-810-8。图图10-8 ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构陶瓷湿敏传感器结构10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器 半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。它是基于内光电效应将光信号转换为电信一种。它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。但不管是光电导器件还是号的光辐射探测器件。但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度，或者说光子的数目。而半导体范围内光的强度，或者说光子的数目。而半
29、导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。型光敏器件。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器10.3.1 10.3.1 半导体色敏传感器的基本原理半导体色敏传感器的基本原理半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电极半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电极二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构原理及等效电路如图原理及等效电路如图10-910-9所示。为了说明色敏传所示。为了说明色敏传感器的工作原理，有必要了
30、解光电二极的工作机感器的工作原理，有必要了解光电二极的工作机理。理。图图10-9 半导体色敏传感器结构半导体色敏传感器结构10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器 1.1.光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理对于用半导体硅制造的光电二极管，在受光照射对于用半导体硅制造的光电二极管，在受光照射时，若入射光子的能量时，若入射光子的能量hh大于硅的禁带宽度大于硅的禁带宽度E Eg g，则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子对电子-空穴。这些由光子激发而产生的电子空穴。这些由光子激发而产生的电子空穴统称为光生载流子。光电二极管的基本部分空穴统称为
31、光生载流子。光电二极管的基本部分是一个是一个-结，产生的光生载流子只要能扩散结，产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界。到势垒区的边界。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器其中少数载流子（专指其中少数载流子（专指P P区中的电子和区中的电子和N N区的空区的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区域，穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区域，这部分少数载流子对电流做出贡献。多数载流子这部分少数载流子对电流做出贡献。多数载流子（P P区中的空穴或区中的空穴或N N区中的电子）则受势垒区电区中的电子）则受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。在势垒区内产生场的排斥而留在势垒区的边缘。在势垒
32、区内产生的光生电子和光生空穴，则分别被电场扫向的光生电子和光生空穴，则分别被电场扫向N N区区和和P P区，它们对电流也有贡献。区，它们对电流也有贡献。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器用能带图来表示上述过程如图用能带图来表示上述过程如图10-1010-10（a a）所示。）所示。图中图中E Ec c表示导带底能量；表示导带底能量；E Ev v表示价带顶能量。表示价带顶能量。“”“”表示带正电荷的空穴；表示带正电荷的空穴；“”“”表示电子。表示电子。I IL L表示光电流，它由势垒区两边能运动到势垒表示光电流，它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载流子和势垒区中产生的电子边缘的少数载流子
33、和势垒区中产生的电子-空穴空穴对构成，其方向是由对构成，其方向是由N N区流向区流向P P区，即与无光照区，即与无光照射射P-NP-N结的反向饱和电流方向相同。结的反向饱和电流方向相同。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器图图10-10 10-10 光照下的光照下的P-NP-N结结10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器当当P-NP-N结外电路短路时，这个光电流将全部流结外电路短路时，这个光电流将全部流过短接回路，即从过短接回路，即从P P区和势垒区流入区和势垒区流入N N区的光生区的光生电子将通过外短接回路全部流到电子将通过外短接回路全部流到P P区电极处，区电极处，与与P P区流出的光
34、生空穴复合。因此，短接时外区流出的光生空穴复合。因此，短接时外回路中的电流是回路中的电流是I IL L，方向由，方向由P P端经外接回路流向端经外接回路流向N N端端 。这时，。这时，P-NP-N结中的载流子浓度保持平衡结中的载流子浓度保持平衡值，势垒高度（图值，势垒高度（图10-1010-10（a a）中的）中的q q（U UD D-U-U）亦无变化。亦无变化。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器当当P-NP-N结开路或接有负载时，势垒区电场收集结开路或接有负载时，势垒区电场收集的光生载流子便要在势垒区两边积累，从而使的光生载流子便要在势垒区两边积累，从而使P P区电位升高，区电位升高，
35、N N区电位降低，造成一个光生电区电位降低，造成一个光生电动势，如图动势，如图10-1010-10（b b）所示。该电动势使原）所示。该电动势使原P-NP-N结的势垒高度下降为结的势垒高度下降为q q（U UD D-U-U）。其中。其中V V即即光生电动势，它相当于在光生电动势，它相当于在P-NP-N结上加了正向偏结上加了正向偏压。只不过这是光照形成的，而不是电源馈送压。只不过这是光照形成的，而不是电源馈送的，这称为光生电压，这种现象就是光生伏特的，这称为光生电压，这种现象就是光生伏特效应。效应。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸光在半导体中传播时
36、的衰减是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果，这种吸收收光子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吸收。硅的本征吸收系数光子的过程称为本征吸收。硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图随入射光波长变化的曲线如图10-1110-11所示。由图所示。由图可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。这就表明，波长短的光子衰减快，穿系数大。这就表明，波长短的光子衰减快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深区域。深区域。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器图图10-11 吸收系数随波长
37、的变化吸收系数随波长的变化10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器对于光电器件而言，还常用量子效率来表征光对于光电器件而言，还常用量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值大小。其物理意生电子流与入射光子流的比值大小。其物理意义是指单位时间内每入射一个光子所引起的流义是指单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。根据理论计算可以得到，动电子数。根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的曲线如图同结深时量子效率随波长变化的曲线如图10-1210-12所示。图中所示。图中xj即即表示结深。浅的表示结深。浅的P-NP-N结有较好结有较好的蓝紫光灵敏度，深的的蓝紫光灵敏度，
38、深的P-NP-N结则有利于红外灵结则有利于红外灵敏度的提高，半导体色敏器件正是利用了这一敏度的提高，半导体色敏器件正是利用了这一特性。特性。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器图图10-12 10-12 量子效应随波长的变化量子效应随波长的变化10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器2 2半导体色敏传感器工作原理半导体色敏传感器工作原理在图在图10-910-9中所表示的中所表示的P-N-PP-N-P不是晶体管，而是结深不不是晶体管，而是结深不同的两个同的两个P-NP-N结二极管，浅结的二极管是结二极管，浅结的二极管是P-NP-N结；深结；深结的二极管是结的二极管是P-NP-N结。当有入射光
39、照射时，结。当有入射光照射时，P P 、N N、P P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系数大，经过很短距同。如上所述，紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕。在此，浅结的即是光电二极管对离已基本吸收完毕。在此，浅结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高，而红外部分吸收系数较小，这类紫外光的灵敏度高，而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的那波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。只光电二极管对红外光的灵敏度较高。10.3 10.3
40、 色敏色敏传传感器感器这就是说，在半导体中不同的区域对不同的波长分别这就是说，在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，也就是可以用来测量入射件用于颜色识别的可能性，也就是可以用来测量入射光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，图光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，图10-10-1313硅色敏管中硅色敏管中VDVD1 1和和VDVD2 2的光谱响应曲线就构成了可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。在具体应用时，应以测定波长的半导体色敏传感器。在具体应用时，应先
41、对该色敏器件进行标定。先对该色敏器件进行标定。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器 图图10-13 硅色敏管中硅色敏管中VD1和和VD2的光谱响应曲线的光谱响应曲线10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器也就是说，测定不同波长的光照射下，该器件中两只也就是说，测定不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管短路电流的比值光电二极管短路电流的比值I ISD2SD2/I ISD1SD1，I ISD1SD1是浅结二极是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大。管的短路电流，它在短波区较大。I ISD2SD2是深结二极管的是深结二极管的短路电流，它在长波区较大，因而二者的比值与入射短路电流，它在长波区较
42、大，因而二者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线，实单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线，实测出某一单色光时的短路电流比值，即可确定该单色测出某一单色光时的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。图光的波长。图10-1310-13表示了不同结深二极管的光谱响应表示了不同结深二极管的光谱响应曲线。图中曲线。图中VDVD1 1代表浅结二极管，代表浅结二极管，VDVD2 2代表深结二极管。代表深结二极管。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器10.3.2 10.3.2 半导体色敏传感器的基本特征半导体色敏传感器的基本特征1 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
43、能检测的波长范围，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。图不同型号之间略有差别。图10-1410-14（a a）给出了国产）给出了国产CSCS型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是4001000nm4001000nm。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短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识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。图别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。图10-1410-14（b b）表示上述表示上述CSCS型半导体色敏器件的短路电流比型半
44、导体色敏器件的短路电流比波长特波长特性曲线。性曲线。10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器图图10-14 10-14 半导体色敏器件特性半导体色敏器件特性10.3 10.3 色敏色敏传传感器感器3.3.温度特性温度特性由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块材料电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数，这种内部补偿作用使上的，具有相同的温度系数，这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感，半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感，所以通常可不考虑温度的影响。
45、所以通常可不考虑温度的影响。10.4 10.4 半半导导体式体式传传感器的感器的应应用用 10.4.1 10.4.1 瓦斯烟雾检测瓦斯烟雾检测仪仪 图图10-15 10-15 瓦斯烟雾传感器电路瓦斯烟雾传感器电路10.4 10.4 半半导导体式体式传传感器的感器的应应用用图图10-1510-15为瓦斯烟雾传感器电路，本电路可侦测为瓦斯烟雾传感器电路，本电路可侦测厨房瓦斯泄漏、浴室一氧化碳毒气、屋内香烟厨房瓦斯泄漏、浴室一氧化碳毒气、屋内香烟废气警报。废气警报。U U1-d1-d组成一个临界准位电路，当第组成一个临界准位电路，当第1313脚的电压比第脚的电压比第1212脚的电压高时（即瓦斯浓度比
46、脚的电压高时（即瓦斯浓度比预定值低）预定值低）,U,U1-d1-d的输出为低电位，对的输出为低电位，对R R8 8，C C1 1组组成的积分电路没作用，因此成的积分电路没作用，因此U U1-c1-c的输出为低电位，的输出为低电位，故故U U2 2，NE555NE555振荡器没动作，输出为零。振荡器没动作，输出为零。10.4 10.4 半半导导体式体式传传感器的感器的应应用用当瓦斯、烟雾或者一氧化碳的浓度被传感器所当瓦斯、烟雾或者一氧化碳的浓度被传感器所接受时，第接受时，第1212脚的正电位逐渐增加，以至于超脚的正电位逐渐增加，以至于超过第过第1313脚的设定值，故脚的设定值，故U U1-d1-
47、d的输出为正电位电的输出为正电位电压，此电压对压，此电压对R R8 8，C C1 1充电，此充电电压超过第充电，此充电电压超过第9 9脚的电压值时，接到脚的电压值时，接到NE555NE555的控制电压为高电的控制电压为高电位，因此振荡器动作。位，因此振荡器动作。10.4 10.4 半半导导体式体式传传感器的感器的应应用用由由R R1313，R R1414及及C C3 3组成的无稳态电路由第组成的无稳态电路由第3 3脚输出脚输出一个连续的脉冲波。直到当瓦斯浓度低于设定一个连续的脉冲波。直到当瓦斯浓度低于设定值时，警报才予以解除。如图值时，警报才予以解除。如图10-510-5所示的传感所示的传感器
48、检测电路也可用于检测酒精，不同的在于将器检测电路也可用于检测酒精，不同的在于将瓦斯传感器改成酒精传感器而已。瓦斯传感器改成酒精传感器而已。10.4 10.4 半半导导体式体式传传感器的感器的应应用用10.4.2 10.4.2 室内湿度检测仪室内湿度检测仪该室内湿度温度测量仪的主要功能是检测室内环该室内湿度温度测量仪的主要功能是检测室内环境下的湿度，其次还有温度检测功能。它可用于车境下的湿度，其次还有温度检测功能。它可用于车间、仓库、部分实验室等场合的湿度温度检测与间、仓库、部分实验室等场合的湿度温度检测与控制。传感器采用的是阻抗式湿度传感器，型号为控制。传感器采用的是阻抗式湿度传感器，型号为H
49、104RH104R。在环境温度。在环境温度2525，该传感器的供电频率为，该传感器的供电频率为lkHzlkHz的情况下，的情况下，40%RH40%RH时阻抗为时阻抗为68k68k；60%RH60%RH时阻时阻抗为抗为29k29k；80%RH80%RH时阻抗为时阻抗为7k7k。10.4 10.4 半半导导体式体式传传感器的感器的应应用用图图10-16 湿度检测仪湿度检测仪测量电路如图测量电路如图10-1610-16所示。所示。10.4 10.4 半半导导体式体式传传感器的感器的应应用用 由于阻抗式传感器需要交流电压供电，一般都需要有由于阻抗式传感器需要交流电压供电，一般都需要有振荡器。本电路由文
50、氏振荡器振荡器。本电路由文氏振荡器A1A1、电压跟随器、电压跟随器A2A2、温度补偿器温度补偿器A5A5、加法器、加法器A3A3和电压放大器和电压放大器A4A4等组成。等组成。文氏振荡器的振荡频率：文氏振荡器的振荡频率：其振荡幅度由反馈量确定，调节电位器其振荡幅度由反馈量确定，调节电位器RPRP1 1,使输出电使输出电压为。文氏振荡器的输出电压作为阻抗式湿度传感器压为。文氏振荡器的输出电压作为阻抗式湿度传感器的工作电压。的工作电压。10.4 10.4 半半导导体式体式传传感器的感器的应应用用电压跟随器主要起阻抗变换作用，其电路的输电压跟随器主要起阻抗变换作用，其电路的输入阻抗很高，以减弱对传感