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Z-元件特性與應(yīng)用的擴(kuò)展
摘要:Z-元件具有進(jìn)一步的開發(fā)潛力,擴(kuò)充其特性和應(yīng)用可形成一些新型電子器件。本文在溫、光、磁敏Z-元件的基礎(chǔ)上,依據(jù)對Z-元件工作機(jī)理的深入探討,開發(fā)出一些新型的半導(dǎo)體敏感元件,如摻金γ-硅熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉(zhuǎn)換器。本文著重介紹了這些新型敏感元件的電路結(jié)構(gòu)與工作原理。這些新型敏感元件都具有生產(chǎn)工藝簡單、體積小、成本低等特點。關(guān)鍵詞:熱敏電阻,摻金γ-硅熱敏電阻,Z-元件,力敏Z-元件,V/F轉(zhuǎn)換器
一、前言
Z-半導(dǎo)體敏感元件﹙簡稱Z-元件﹚性能奇特,應(yīng)用電路簡單而且規(guī)范,使用組態(tài)靈活,應(yīng)用開發(fā)潛力大。它包括Z-元件在內(nèi)僅用兩個﹙或3個﹚元器件,就可構(gòu)成電路最簡單的三端傳感器,實現(xiàn)多種用途。特別是其中的三端數(shù)字傳感器,已引起許多用戶的關(guān)注。
Z-元件現(xiàn)有溫、光、磁,以及正在開發(fā)中的力敏四個品種,都能以不同的電路組態(tài),分別輸出開關(guān)、模擬或脈沖頻率信號,相應(yīng)構(gòu)成不同品種的三端傳感器。其中,僅以溫敏Z-元件為例,就可以組合出12種電路結(jié)構(gòu),輸出12種波形,實現(xiàn)6種基本應(yīng)用[3]。再考慮到其它光、磁或力敏Z-元件幾個品種,其可供開發(fā)的擴(kuò)展空間將十分可觀。為了拓寬Z-元件的應(yīng)用領(lǐng)域,很有從深度上和廣度上進(jìn)一步研究的價值。
本文在前述溫、光、磁敏Z-元件的基礎(chǔ)上,結(jié)合生產(chǎn)工藝和應(yīng)用開發(fā)實踐,在半導(dǎo)體工作機(jī)理上和電路應(yīng)用組態(tài)上進(jìn)行了深入的擴(kuò)展研究,形成了一些新型的敏感元件。作為其中的部分實例,本文重點介紹了摻金g-硅新型熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉(zhuǎn)換器,供用戶分析研究與應(yīng)用開發(fā)參考。這些新型敏感元件都具有體積小、生產(chǎn)工藝簡單、成本低、使用方便等特點。
二、摻金g-硅新型熱敏電阻
1.概述
用g-硅單晶制造半導(dǎo)體器件是不多見的,特別是用原本制造Z-元件這樣的高阻g-硅單晶來制造Z-元件以外的半導(dǎo)體器件,目前尚未見到報導(dǎo)。Z-元件的特殊性能,主要是由摻金高阻g-硅區(qū)﹙也就是n-i區(qū)﹚的特性所決定的,對摻金高阻g-硅的性能進(jìn)行深入地研究希望引起半導(dǎo)體器件工作者的高度重視。
本部分從對摻金g-硅的特性深入研究入手,開發(fā)出一種新型的熱敏元件,即摻金g-硅熱敏電阻。介紹了該新型熱敏電阻的工作原理、技術(shù)特性和應(yīng)用特點。
2.摻金g-硅熱敏電阻的工作機(jī)理“摻金g-硅熱敏電阻”簡稱摻金硅熱敏電阻,它是在深入研究Z-元件微觀工作機(jī)理的基礎(chǔ)上,按新的結(jié)構(gòu)和新的生產(chǎn)工藝設(shè)計制造的,在溫度檢測與控制領(lǐng)域提供了一種新型的溫敏元件。
為了熟悉并正確使用這種新型溫敏元件,必須首先了解它的工作機(jī)理。Z-元件是其N區(qū)被重?fù)诫s補(bǔ)償?shù)母男訮N結(jié),即在高阻硅材料上形成的PN結(jié),又經(jīng)過重金屬補(bǔ)償,因而它具有特殊的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和特殊的伏安特性。圖1為Z-元件的正向伏安特性曲線,圖2為Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖。
由圖1可知,Z-元件具有一條“L”型伏安特性[1],該特性可分成三個工作區(qū):M1高阻區(qū),M2負(fù)阻區(qū),M3低阻區(qū)。其中,高阻的M1區(qū)對溫度具有較高的靈敏度,自然成為研制摻金g-硅熱敏電阻的主要著眼點。
從圖2可知,Z-元件的結(jié)構(gòu)依次是:金屬電極層—P 歐姆接觸區(qū)—P型擴(kuò)散區(qū)—P-N結(jié)結(jié)面—低摻雜高補(bǔ)償N區(qū),即n-.i區(qū)—n 歐姆接觸區(qū)—金層電極層?梢奪-元件是一種改性PN結(jié),它具有由p -p-n-.i-n 構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu),其中核心部位是N型高阻硅區(qū)n-.i,特稱為摻金g-硅區(qū)。摻金g-硅區(qū)的建立為摻金g-硅熱敏電阻奠定了物理基礎(chǔ)。
Z-元件在正偏下的導(dǎo)電機(jī)理是基于一種“管道擊穿”和“管道雪崩擊穿”的模型[2]。Z-元件是一種PN結(jié),對圖2所示的Z-元件結(jié)構(gòu)可按P-N結(jié)經(jīng)典理論加以分析,因而在p-n-.i兩區(qū)中也應(yīng)存在一個自建電場區(qū)。該電場區(qū)因在P區(qū)很薄,自建電場區(qū)主要體現(xiàn)在n-.i區(qū),且?guī)缀跽紦?jù)了全部n-.i型區(qū),這樣寬的電場區(qū)其場強(qiáng)是很弱的,使得Z-元件呈現(xiàn)了高阻特性。如果給Z-元件施加正向偏壓,這時因正向偏壓的電場方向同Z-元件內(nèi)部自建電場方向是相反的,很小的正向偏壓便抵消了自建電場。這時按經(jīng)典的PN結(jié)理論分析,本應(yīng)進(jìn)入正向?qū)顟B(tài),但由于Z-元件又是一種改性的PN結(jié),其n-.i型區(qū)是經(jīng)重金屬摻雜的高補(bǔ)償區(qū),由于載流子被重金屬陷阱所束縛,其電阻值在兆歐量級,其正向電流很小,表現(xiàn)在“L”曲線是線性電阻區(qū)即“M1”區(qū)。這時,如果存在溫度場,由于熱激發(fā)的作用使重金屬陷阱中釋放的載流子不斷增加,并參與導(dǎo)電,必然具有較高的溫度靈敏度。在M1區(qū)尚末形成導(dǎo)電管道,如果施加的正向偏壓過大,將產(chǎn)生“管道擊穿”,甚至“管道雪崩擊穿”,將破壞了摻金g-硅新型熱敏電阻的熱阻特性,這是該熱敏電阻的特殊問題。
在這一理論模型的指導(dǎo)下,不難想到,如果將Z-元件的n-.i區(qū)單獨制造出來,肯定是一個高靈敏度的熱敏電阻(由于半導(dǎo)體伴生著光效應(yīng),當(dāng)然也是一個光敏感電阻),由此可構(gòu)造出摻金g-硅新型熱敏電阻的基本結(jié)構(gòu),如圖3所示。由于摻金g-硅新型熱敏電阻不存在PN結(jié),其中n-.i層就是摻金g-硅,它并不是Z-元件的n-.i區(qū)。測試結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)的電特性就是一個熱敏電阻。該熱敏電阻具有NTC特性,它與現(xiàn)行NTC熱敏電阻相比,具有較高的溫度靈敏度。
3.摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝
摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝流程如圖4工藝框圖所示。可以看出,該生產(chǎn)工藝過程與Z-元件生產(chǎn)工藝的最大區(qū)別,就是不做P區(qū)擴(kuò)散,所以它不是改性PN結(jié),又與現(xiàn)行NTC熱敏電阻的生產(chǎn)工藝完全不同,這種摻金g-硅新型熱敏電阻使用的特殊材料和特殊工藝決定了它的性能與現(xiàn)行NTC熱敏感電阻相比具有很大區(qū)別,其性能各有優(yōu)缺點。
4.摻金g-硅熱敏電阻與NTC熱敏電阻的性能對比
從上述結(jié)構(gòu)模型和工藝過程分析可知,摻金g-硅層是由金擴(kuò)入而形成的高補(bǔ)償?shù)腘型半導(dǎo)體,不存在PN結(jié)的結(jié)區(qū)。它的導(dǎo)電機(jī)理就是在外電場作用下未被重金屬補(bǔ)償?shù)氖S嗟氖┲麟娮訁⑴c導(dǎo)電以及在外部熱作用下使金陷阱中的電子又被激活而參與導(dǎo)電,而呈現(xiàn)的電阻特性。由于原材料是高阻g-硅,原本施主濃度就很低,又被陷阱捕獲一些,剩余電子也就很少很少。參與導(dǎo)電的電子主要是陷阱中被熱激活的電子占絕對份額。也就是說,摻金g-硅熱敏電阻在一定的溫度下的電阻值,是決定于工藝流程中金擴(kuò)的濃度。研制實踐中也證明了這一理論分析。不同的金擴(kuò)濃度可以得到幾千歐姆到幾兆歐姆的電阻值。金擴(kuò)散成為產(chǎn)品質(zhì)量與性能控制的關(guān)健工序。
我們認(rèn)為,由于摻金g-硅熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理與現(xiàn)行的NTC熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理完全不同,所以特性差別很大,也存在各自不同的優(yōu)缺點。摻金g-硅熱敏電阻的優(yōu)點是:生產(chǎn)工藝簡單,成本低,易于大【Z-元件特性與應(yīng)用的擴(kuò)展】相關(guān)文章:
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