第10章 气、湿敏传感器分析

一、概述
N 型 —— 如氧化锡 (SnO2)、氧化铁 (Fe2O3)、氧 化锌(ZnO)，WO2等。 ii. P 型 —— 如氧化钴 (CoO)、氧化铅 (PbO)、氧化 铜(CuO)、NiO等。 实验证明，在上述氧化物半导体材料中，掺入 适量的添加物作为催化剂，如钯(Pd)、铂(Pt)、 钛(Ti)、银(Ag)等，可提高对某些气体的选择性 和灵敏度。 在诸多半导体中，用SnO2制成的气敏电阻有很 多优点，故应用最为广泛，其特点为： 1) 气敏元件的阻值随检测气体浓度按指数关系 变化，因此适宜测量低浓度的气体。 i.
一、概述
2) SnO2 的物理、化学性能稳定、寿命长、耐腐蚀。 3) SnO2 对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时 间短，可连续长时间使用。 4) 元件结构简单，成本低，可靠性高，机械性能 好。 5) 被检测气体浓度可通过元件电阻的变化直接转 换为电信号，且灵敏度高，因此信号处理不用 放大器或不需高倍数放大电路就可实现。 由于 SnO2 具有上述特点，因此是目前生产量最 大，应用范围最广泛的一种气体敏感元件。本 节以SnO2气敏元件为主做以介绍。
二、SnO2气敏元件的工作原理
如果亲电性高 ( 即氧化 性气体 ) ，产生的表面 能级将位于费米能级 上方，如图 10-4(a) 所 示，被吸附分子从空 间电荷吸取电子而成 为负离子吸附在半导 体表面，使空间电荷 层 宽 度 增 加 ( Δd)， 势 垒高度增加 ( Δφ ) ，其 结果是空间电荷层内 由1 O2 e O 2 式中：O — 吸附氧； e — 电子的电荷量
二、SnO2气敏元件的工作原理
由于氧吸附力很强，因 此， SnO 2 气敏器件在 空气中放置时，其表面 总是会有吸附氧的， 其 吸 附 状 态 可 以 2 O 、 O 、 O 是 2 等等， 均是负电荷吸附状态， 使接触晶界电子势垒高 度升高，如图 10-2(a) 电子势垒从虚线升至实 线 ， 使 SnO2 表 面 区 载 流子浓度下降，器件电 阻升高。
二、SnO2气敏元件的工作原理
如果被吸附气体的亲电性 低 ( 即还原性气体 ) ，如图 l0-4(b) 所示，被吸附分子 向空间电荷区域提供电子 而成为正离子吸附在半导 体表面，则空间电荷层宽 度将减少 ( Δd)，势垒高度 降低 ( Δφ ) ，空间电荷层内 由于电子载流子密度增加， 使电荷层的电导率相应增 加。因此，通过改变气体 在半导体表面的浓度，空 间电荷区域的电导率就可 以得到调制。
二、SnO2气敏元件的工作原理
根据晶粒接触面势垒模型和吸收效应模型分析，其 晶粒接触界面存在电子势垒，其接触部(或颈部)电阻 对器件电阻起支配作用。显然，这一电阻主要取决 于势垒高度和接触部形状，亦即主要受表面状态和 晶粒直径大小等的影响。 氧吸附在半导体表面时 ，吸附的氧分子从半导体 SnO2表面夺取电子，形成受主型表面能级，从而使 表面带负电，成为负离子吸附，即
第十章 气、湿敏传感器
§10-1 半导体气敏传感器
一、概述
随着科学技术的发展，生产规模不断扩大，被人们所利用的 气体原料和在生活、工业上排放出的气体种类、数量都日益 增多。这些气体中，许多都是易燃、易爆(例如氢气、煤矿瓦 斯、天然气、液化石油气等)或者对于人体有毒害的(例如一氧 化碳、氟里昂、氨气等)。它们若泄漏到空气中就会污染环境， 影响生态平衡，并可能会产生爆炸、火灾及使人中毒等灾害 性事故。 为了确保安全，防患于未然，须对各种可燃性气体、有毒性 气体进行定量分析和检测。气敏元件就是能感知环境中某种 气体及其浓度的一种器件。气体传感器能将气体种类及其与 浓度有关的信号转换成电信号(电流或电压)。根据这些电信号 的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况相同的有关 信息，从而可以进行检测、监控、报警。
一、概述
气体检测方法很多，其中半导体气敏传感器具有使 用方便、费用低廉、性能稳定、灵敏度高、可把气 体浓度转换成电量输出等优点，故得到了广泛应用。 (一)半导体气敏传感器的分类 (1)半导体气敏传感器按其物理性质分为： ①表面型：利用半导体材料的表面吸附效应，根 据半导体表面电阻变化来检测各种气体的传感 器。 ②体型：利用半导体与气体间的相互作用，使半 导体内部晶格组成状态发生变化而导致电导率 变化的传感器。
一、概述
(2)半导体气敏传感器按转换形式分为： ①电阻式：气体接触半导体时，使其电阻值发 生变化的气敏传感器。 ②非电阻式：当气体接触MOS场效应管或金属 -半导体结型二极管时，前者的阈值电压和后 者的整流特性(电容C-电压V特性)发生变化的 气敏传感器。
(二)气敏传感器的材料
气敏电阻的材料不是通常的锗或硅，而是金属 氧化物，制作上也不是通过锗或硅掺入杂质形 成杂质半导体，而是通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为：
二、SnO2气敏元件的工作原理
目前采用很多种半导体材料制备出不同结构类型的 半导体气敏器件，其晶粒间界结构复杂，催化剂和 添加剂在多晶氧化物半导体中的分布情况也是非常 复杂的。又由于被测气体对象不同，因此其工作机 理也不同。对此进行完整统一的解释是比较困难的。 烧结型SnO2气敏器件是表面电阻控制型气敏器件。 制备器件的气敏材料是N型SnO2材料晶粒形成的多 孔质烧结体，其结合模型可用图 10-1 表示。在晶体 组成上，锡或氧往往偏离化学计量比，在晶体中如 果氧不足，将出现两种情况：一是产生氧空位；另 一种是产生金属间隙原子。
二、SnO2气敏元件的工作原理
当SnO2气敏器件接触还原性气体如 H2、CO等时，被 测气体则同吸附氧发生反应，即
O H 2 H 2O e
-
减少了O 的密度，吸附的气体分子将向SnO2注入电子。 形成正离子吸附，电子势垒高度降低，如图10-2(b)所 示，从而器件阻值降低。 根据吸附气体产生能级模型分析，暴露于大气中的 N 型氧化物半导体 SnO2 。其表面总是吸附着一定量的 电子施主(如氢原子)或电子受主(氧原子)，由此能组成 与半导体内部进行电子交换的表面能级，并形成位于 表面附近的空间电荷层。该表面能级相对于半导体本 身费米能级的位置，取决于被吸附气体的亲电性。