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(diǎn)。

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(gè)﹙或3個(gè)﹚元器件，就可構(gòu)成電路最簡單的三端傳感器，實(shí)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(gè)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(hào)，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(shí)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(gè)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(jià)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(shí)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(shí)例，本文重點(diǎn)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(diǎn)。



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(bào)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(diǎn)。

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(jì)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(gè)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(diǎn)。

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(gè)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(shí)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(shí)按經(jīng)典的PN結(jié)理論分析，本應(yīng)進(jìn)入正向?qū)�通狀態(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(jí)，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(shí)，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(dú)制造出來，肯定是一個(gè)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(gè)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(gè)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�？梢钥闯�，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(diǎn)。

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(shí)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(diǎn)。摻金g-硅熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)工藝簡單，成本低，易于大

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