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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： 一、概述 N型——如氧化锡(SnO2)、氧化铁(Fe2O3)、氧化锌(ZnO)，WO2等。 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： 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。 一、概述 SnO2的物理、化学性能稳定、寿命长、耐腐蚀。 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。 元件结构简单，成本低，可靠性高，机械性能好。 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 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 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 二、SnO2气敏元件的工作原理 由于氧吸附力很强，因此，SnO2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 是 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 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 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于电子