先进半导体敏感材料

先进半导体敏感材料
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7.1力敏材料 7.2光敏材料 7.3磁敏材料 7.4热敏材料 7.5气敏材料 7.6射线敏材料 7.7其他半导体敏感材料
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7.1 力敏材料
7.1.1压阻效应力敏材料
半导体晶体受外（应）力作用时，其晶格对称性和晶格常 数会发生变化，导致其导电机理改变而使电阻R（或电阻 率ρ）发生变化，此即压阻效应，可以近似表示为： R y R
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7.3.1 霍尔器件材料
霍尔器件是利用半导体的霍尔效应制作的。20世 纪50年代就制出了霍尔器件并Hale Waihona Puke Baidu快实现商品化。 20世纪70年代初期就制成了单片Si集成霍尔板 （是一种最基本的半导体磁敏器件）。
Si、GaAs是良好的霍尔板材料。这两种材料所制霍尔板 最大电压相对灵敏度分别为0.11/T和0.63/T，实测值分别 为0.07/T和0.2/T。 半导体霍尔器件具有结构简单、无触点、频带宽、动态 特性好等特点，在磁场测量、功率测量、电能测量、自 动控制与保护、微位移测量、压力测量等方面得到广泛 应用。
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npn型Ge磁敏三极管的磁电特性曲线，Δic为基极恒流（Ib=3 mA） 条件下集电极电流的变化。
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在各种量子阱红外探测器中，AlGaAs/GaAs多量子阱（MQW） 器件工艺最为成熟，是大面积红外焦平面陈列（IRFPA） 和长波红外成像系统的优先器件之一，已制出工作于3-5 μm 、8-14 μm的双色AlGaAs/GaAs MQW红外探测器。
量子阱、超晶格（SL）红外光探测器材料
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7.2.4 光电二极管材料
在受到光照的pn结上加上反向电压，则反向电流比不加光 照时大。这种二极管可把光信号变成光电流信号，常用作 光通信中的光电转换元件。它具有灵敏度高、响应速度快、 暗电流小、噪声低等特点。 利用Si、Ge等材料还可制备了同雪崩光电二极管（有高速 响应和放大功能）和光电晶体管（有放大功能）等光敏器 光电二极管用材料及其基本性能 件。
其他红外探测器材料
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半导体红外光探测器材料的种类繁多，除上述材料外， 还有InAs（1-3 μm）、InGaAs（1-1.65 μm）、HgZnTe（312 μm）、HgMnTe（2-10 μm）、PbSnTe（8-14 μm）、 InAsPSb（2-5 μm）、 InGaAsSb（2-5 μm）等。
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采用宽带隙材料可对短波长光有较好的响应。一方面，可 充分利用宽带隙材料所具有的对可见光盲或阳光盲的特性 提高器件的搞干扰能力；另一方面，可利用宽带隙材料的 高化学稳定性和耐高温特性制成适用于恶劣环境工作的紫 外光电探测器。 宽带隙紫外光探测器材料主要有GaN基材料、SiC、金刚
石等。具有良好性能的PV型GaN紫外光探测器已经商品 化。
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7.2.3 短波长（紫外）光敏材料
在紫外光探测（传感）技术方面，一些“旧”的探测器， 如照相膜、气体光电离探测器和光发射探测器等已被半导 体光探测器所取代，因半导体探测器有更高的灵敏度、体 积小、可靠性高、易于操作并能给出更多、更精确的光度 学信息。 Si和GaAs材料工艺技术已非常成熟或相当成熟，采用这些 材料并结合一些特殊器件结构已经制出对紫外光有良好响 应的光电探测器，也易于批量生产。已制出高量子效率的 利用紫外光探测的 Si光二极管。
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1993年，Helmolt等人在类钙铁矿结构的稀土Mn氧化物中 观察到△R/R可达103～106的超巨磁阻效应，又称庞磁阻 效应(Colossal Magnetoresistance，CMR)。 1995年，Moodera等人观察到磁性隧道结在室温下大于10 ％的隧道巨磁电阻效应(Tunnel Magnetoresistance，TMR) 效应。 1997年，全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世。正是 借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头， 能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。
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7.2.5 光电导膜材料
利用半导体材料的光电导效应，可制成光电导摄像管。光 电导膜是其关键元件。 照度系数 由正式给出其物理意义：
I aV B I - 光电流 B - 光的照度 - 电压指数 a - 常数
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常见半导体光电导膜材料主要性能
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7.3 磁敏材料
磁敏传感元件是将磁学量信号转换为电信号或以 磁场为媒介将其他非电物理量转换为电信号的元 件。 利用半导体的霍尔效应和磁阻效应可制出霍尔器 件、磁阻器件、磁敏二极管和磁敏三极管等传感 器件。
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有磁场与无磁场时材料的电阻率比与迁移率和磁感应强度 B之间的关系为：
B H 1 0 c
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1988年，Baibich等人在由Fe、Cr交替沉积而形成的纳米多 层膜中，发现了超过50％的MR，且为各向同性、负效应， 这种现象被称为巨磁电阻 (Giant Magntoresistance，GMR) 效应。 1992年，Berkowitz等人在Cu-Co等颗粒膜中也观察到GMR 效应。
Π： 材料的压阻系数 y： 材料的杨氏模量 ε ： 材 料 在 特 定 方 向 的 应系 变数
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材料的压阻系数Π与材料的导电类型、晶向、掺杂 浓度、温度等参数有关。
G 定义标准因子（灵敏度系数）为： R / R

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1954年，吏密斯（Smith C S）首先发现Si、Ge 的压阻效应，世界上第一个基于压阻效应的压力 传感器是用Si制作的。 压阻传感器是半导体传感器中市场额最大的传感 器。 4
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7.1.2 压电效应力敏材料
压电效应：晶体在外力作用下，内部会产生极化而在某两 个表面产生符号相反的电荷。 利用压电效应也可制备力敏元件。与这一效应相关的材料 参数主要是压电系数d和机电耦合系数K。 在平行于x轴的外应力作用下，压电元件表面产生电荷密 度： 1 1 / d// or 1 d//1
InSb红外光探测主要性能
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铅盐化合物PbS、PbSe均为本征光电导红外探测器材料， PbS广泛用于制备1-3 μm探测器，其器件制备工艺简单， 成本低。
铅盐红外光探测器的主要性能
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Si和Ge是主要的非本征红外（光电导）探测器材料带隙大 小适中。
低背景应用时某些Si、Ge红外探测器的主要性能
Si、Ge、InSb的压敏效应参数
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半导体力敏元件（应变片）可制出压力传感器、 加速度传感器等器件。 SiC也可用于制备高温压力传感器。已有报道工 作温度高达600 ℃的6H-SiC高温压力传感器。 金刚石也是制作高温压力传感器的优良材料，受 缺乏单晶衬底的限制，其工作温度仅为300 ℃.
产生电能 转换灵敏度用机电耦合系数K表示： K 输入机械能
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常见半导体压电材料
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7.2 光敏材料
半导体光敏材料主要是利用这类材料所具有的光电导效应 以制备相应的传感（探测）器件。 光电导效应是半导体表面受到光照时，其电导率增大的现 象。 根据本征吸收限波长λc与材料带隙Eg的关系，可以容易地 算出半导体光敏材料的吸收限波长（吸收边）。
1.24 c Eg
(m)
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常见半导体光敏材料的本征吸收限λc
常见半导体材料的κ值
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7.2.1 可见光波段光敏材料
可见光波段的半导体光敏材料以CdS和CdSe研 究得最为深入。在CdS中掺入某种杂质还可以提 高其灵敏度。 CdSe中掺Cu会形成缺陷中心，它们有较大的俘 获截面，可提高空穴寿命（由10-13-10-7s提高到 10-6-10-2s）。从而使所制光敏元件的灵敏度得到 较大幅度提高。
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半导体霍尔器件用材料及所制器件性能
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7.3.2 磁阻器件材料
磁阻器件是利用半导体的磁阻效应，是一种电阻 随磁场的变化而变化的效应（包括物理磁阻效应 和几何磁阻效应）。 磁阻定义为有磁场时与无磁场时材料的电阻或电 RH R0 / R0 (H 0 ) / 0 阻率的比值： 磁阻器件的性能主要取决于材料的迁移率和元件 的形状，为了得到较好的磁阻性能，常选择纯度 和迁移率较高的半导体材料（主要是InSb和 InAs），以利用其物理磁阻效应。
异质结材料，如MCT/Si、SiGe/Si、PbS/Si、CdS/PbS、 PbSSe/PbS、PbSnTe/PbTe、CdSSe/Ge等。 在Si衬底上，以GaAs和CdTe为缓冲层制出了工作于3-10 μm波段的多种MCT/Si探测器。 SiGe/Si异质结探测器可工作于3-5 μm和8-14 μm两个波段。
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1992年首次制出AlGaN PC型紫外光探测器，在365 nm波 长时，峰值响应率（似应为电流灵敏度）为1000 A/W。 1995年，用CVD工艺制出了PC型金刚石紫外光探测器， 它对200 nm波长光的响应比对可见光的响应大106，暗电 流小于0.1 nA。 1964年，用3C-SiC制出了PV型紫外光探测器（光二极 管），250 nm波长时，最大响应率72 mA/W，量子效率 36%。一般SiC光二极管在250-300 nm时，响应率为150240 mA/W，量子效率在60%以上。
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CdS、CdSe材料（所制光敏电阻）主要光敏特性
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7.2.2 红外波段光敏材料
红外光敏传感器（红外探测器）主要利用了半导体材料的 光电导（本征光电导、非本征或杂质光电导）效应、光伏 效应、光电磁效应和光发射效应。 1917年用TlS2制出了第一只光敏电阻。20世纪30年代开 始用PbS、PbSe研制红外探测器。二战期间，因军事需 求的刺激红外探测器工艺研究得到快速发展，并为现代红 外探测器的研制和生产奠定了良好基础。 20世纪50年代早期，研制成功第一个Ge的非本征光电导 探测器，随GaAs等化合物半导体材料制备工艺的发展， 陆续研制出基于InSb、HgCdTe（MCT）、铅盐化合物及 其固溶体、Ⅲ-Ⅴ族化合物基固溶体等材料的红外探测器、 量子阱红外探测器及各种红外焦平面阵列等。
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红外探测器按其工作模式或机理可分为四类：本征、非本 征、光发射、量子阱或光电导（PC）、光伏（PV）、光 电磁（PEM）、量子阱（QW）探测器。
红外光探测器分类及所用主要材料
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各类半导体红外光探测器比较
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探测率：探测器敏感面积为1cm2，噪声等效带宽为1Hz的 响应率与方均噪声电压或电流之比，单位为cmHz1/2/W. MCT材料是1959年首先报道的，是目前应用最广泛的红外 光探测器材料。 MCT材料的主要特点：①材料与器件优值α/G（α为吸收 系数，G为热产生速率）较大，比自由载流子探测器和 AlGaAs/GaAs量子阱器件大几个数量级；②探测波长范围 大，可制备出红外波段内任何波长的探测器，可制面多色 （多波长）探测器；③MCT的晶格常数基本上与组分无关。 在各种可变带隙固溶体半导体材料中，MCT是惟一带隙可 覆盖整个红外波段而其晶格常数又保持不变的半导体材料， 这是MCT相对于其他半导体材料的一个主要优点。
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MCT红外探测器具有量子效率高、光电导增益和响应率较 高、响应时间短、频率响应宽等特点，用MCT还制出了可 探测微弱信号的（10.6 μm）红外外差探测器和（3-5 μm）、（8-14 μm）的扫积探测器。 InSb材料制备工艺比MCT成熟，广泛用于制备3-5 μm波段 探测器。器件工作模式有PC、PV和PEM三种。
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7.3.3 磁敏二极管和磁敏三极管材料
半导体磁敏二极管和磁敏三极管是继霍尔器件、 磁阻器件之后发展起来的磁电转换器件。 磁敏二极管的磁灵敏度可达1000 mV(mA· T)，比 霍尔器件高出数百倍甚至数千倍]、体积小、电路 结构简单、可识别磁场的极性等特点。 磁敏二极管和磁敏三极管广泛用于无触点电位器、 无触点开关、无刷直流电机、漏磁探测仪、地磁 探测仪等领域。