半導體敏感材料

半導體敏感材料,能將各種非電物理量如力學量、光學量、熱學量、磁學量和生物量等,轉換成電物理量的半導體材料。半導體敏感材料不僅能實現物質量的轉換,還可與計算機技術相互連,在工業、農業、科技、國防、環境污染監測以及日常生活的各個領域都有重要套用。

基本介紹

  • 中文名:半導體敏感材料
  • 套用領域:工業、農業、科技、國防、環境污染監測以及日常生活的各個領域
分類
半導體敏感材料依據所轉換非電物理量的性質,可分為以下幾類:
①力敏半導體材料。具有較強的壓阻效應,能將各種力學量如作用力、加速度、流量等轉變為電信號。壓阻效應,是指半導體晶體在受到壓力作用時,晶體的對稱性會發生變化,導電機制也隨之變化,從而使電阻值改變的物理現象。半導體的應變係數(壓阻係數)可達100~200,而金屬的應變係數只有2~3,這種差異主要歸因於半導體能帶結構的各向異性。這類材料主要有單晶矽、多晶矽、矽外延薄膜、矽/尖晶石和矽/藍寶石等。
②光敏半導體材料。受到光照射時,能產生光生非平衡載流子,引起材料電導率(或電阻率)的變化(光電導效應),或者在半導體PN結區附近產生載流子,引起PN結反向偏壓的變化(光生伏特效應),因此可將光學量轉變為電學量。屬於這類材料的有元素半導體Si和Ge,Ⅲ–Ⅴ族化合物GaAs、InAs、InP、GaN等,Ⅱ–Ⅵ族化合物的CdTe,以及多元固溶體材料如CdHgTe等。
③磁敏半導體材料。具有較強的霍耳效應和磁阻效應,能將各種磁學量轉換為電學量。霍耳效應是半導體材料中的電流與磁場相互作用,而在垂直於電流和磁場的方向上產生電動勢的一種物理效應,所產生的電動勢與半導體中的電流和外加磁場強度成正比。此外,當電流方向與磁場方向垂直時,還會使電流密度降低,即出現電阻率增大的現象(磁阻效應)。利用半導體材料的這些特性,可製成磁敏感半導體器件。為獲得較高的磁敏感度,通常選用載流子遷移高的材料作磁敏材料。例如InSb,它在室溫下的遷移率為矽遷移率的50倍。磁敏半導體材料有Si、Ge、GaAs、InSb、InAs等。
④熱敏半導體材料。具有較強的熱電效應,能將熱學量(溫度)轉換為電信號。某些過渡族元素(如Mn、Ni、Co等)的氧化物,當溫度升高時,其載流子濃度增加,使電阻率下降(負的溫度係數);而另一些金屬氧化物,如以BaTiO3為基的材料,在摻入適當量稀土元素後,其電阻率會隨溫度升高而變大(正的溫度係數)。這是由於BaTiO3是一種多晶材料,對於導電電子來說,晶粒間界相當於一個勢壘。當溫度低時,在BaTiO3中內電場的作用下,導電電子容易通過晶界,電阻率較小;而當溫度升高到臨界溫度以上時,內電場被破壞,電子不易通過晶界,因此電阻率急劇增大。利用金屬氧化物的這種性質,可以製備出熱敏感器件。此外,用元素半導體或化合物半導體製備的二極體或電晶體,其基極和發射極之間的電壓,對溫度也是十分敏感的。因此,這些器件也可用作熱敏元件。此外,還可利用半導體的表面和界面效應,將各種氣體組分的濃度、離子濃度和生物量轉變成電學量,這些材料分別稱為氣敏半導體材料、離子敏半導體材料和生物敏半導體材料。

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