非晶材料在传感器中的应用(3)

                N型： _{QUOTE  n} QUOTE         （1）

                    P型：S_p= _QUOTE                （2）

                     图12 西贝克效应示意图

式中q为电荷的绝对值，A_-和A₊是接近1的常数，可以推出对于n型， _{QUOTE  n}<0，S_p>0。因此，可以通过测量温差电动势的正负的办法来判断半导体的导电类型。金属温差电动势比晶态半导体要小得多，一般金属的费米能级数量级为几个电子伏特，因此金属的温差电动势绝对值约为几个 QUOTE  ，而晶态半导体的温差电动势率绝对值在室温时可达几百 QUOTE  

对于一般的非晶态半导体温差效应，与它的三种导电机制相对应，它的温差电效应也分成三个不同温度讨论。

当温度足够高时，以扩展态中的电子导电为主时，非晶态半导体的温差电动势与晶态半导体很类似，它们的n型和p型半导体具有相同的表达式。随着温度降低，当以带尾局域态电子导电时，非晶态半导具有1式和2式的形式，只是式中的E_C和E_V分别换成E_A和E_B，A_-，A₊值更小。当温度进一步降低，以禁带中的缺陷局域态中的电子导电为主时，非晶态半导体的温差电动势率S有类似于金属的形式，同样S值很小，符号可正可负，取决于对电流做主要贡献的电子能态是位于费米能级E_F的上方还是下方。

图13示出非晶硅的热电势与温差的关系。由于非晶硅的西贝克（Seebeck）系数高，因而可用来研制高灵敏度的温度传感器。在室温附近西贝克系数几乎为常数，n 型和p型材料的西贝克系数分别为-120μV/K~-220μV/K 和170μV/K～280μV/K，比金属的西贝克系数大2 个数量级。为了增大西贝克效应的灵敏度，形成p-n 结可能是有益的。由于通过半导体的p-n 结呈现整流特性，因而对灵敏度和热电势的线性有影响。相反，非晶硅的p-n 结呈现欧姆特性，因而对热电势特性无影响，仅使其输出达到n 型或p 型材料时的2 倍左右。如图13 所示，非晶硅的p-n 型结具有良好的线性热电势，其西贝克系数为338μV/K，大约等于n-型和p-型材料绝对西贝克系数的总和。

    图13  非晶硅的热电势与温差的关系

非晶硅热电传感器^[7]：

目前作为微波和光学的波段检测用的传感器，有通过把功率转换为焦耳热进行检测的金属薄膜热电偶传感器和利用光电效应的非晶态半导体传感器等，例如Bi-Sb薄膜热电偶和Si-Ta₂N薄膜热电偶等。用p-n结型非晶硅薄膜，检测灵敏度可提高20倍以上，同时，由于非晶硅的温差电动势率的温度系数很小，可做到小于1%，因此非晶态硅热电传感器可以作为很好的从微波到光波波段范围的功率传感器。

利用非晶硅薄膜制作热电传感器除了在性能上的优点外，还有以下几个特点：

（1）利用晶态半导体薄膜的传感器通常是研磨晶体表面以形成薄膜，或利用热解法形成晶体薄膜，基片温度在700--800 QUOTE  以上，而现在利用辉光放电的方法，基片只需300 QUOTE  左右，因此非晶硅薄膜容易形成。

（2）由于薄膜的形成与晶态半导体薄膜的外延生长不同，因此基片不需使用晶态材料，另外由于基片温度降低到300 QUOTE  左右，高分子聚合物材料也可作为基片，总之对基片的要求较低。

（3）由于非晶硅薄膜在方面是稳定的，这样集成技术中的光刻等典型的细微加工技术仍可用，因此容易微型化。

（4）制造方法比较简单，有利于大量廉价生产。

显然，这些特点不仅限于用非晶硅制成的热电传感器，利用非晶硅薄膜制作的其他传感器和电子原件等也都具有这些特点。

3、压力传感器

    微晶相和非晶相混合所产生的压阻效应,与常规的金属应变计相比，其灵敏度要高1 个数量级,应变因子可达60。图15 示出用光CVD 法（在150℃温态下）和等离子CVD 法制作的n 型μC-Si:H 压阻效应的比较。压阻性随所加应变的关系在各个方向均为线性变化。应变因子的温度系数很小，仅为0.2%/K，此值很容易得到补偿。在大面积挠性有机薄膜上淀积非晶硅的可能性，使得这种材料适用于传感表面（包括曲面）上的压力分布和形状识别。这类传感器对于人造皮肤的应用（机器人的手）有很大的潜力。

          图15   压阻效应的比较 

4、功率传感器

    高灵敏度的半导体热电偶可用作热电堆功率传感器。热电堆由非晶硅膜和金属膜组成，后者用作一个电阻，以耗散所施加的电功率，并变换成焦耳热。图14 示出热电堆的输出电压与施加直流功率的函数关系曲线。输出电压与所加直流功率成正比增加，直到10mV 时其线性度为小于0.3% 。此功率传感器的灵敏度是1mV/mW，约为Bi-Sb 热电偶所得值的10 倍。

图14  热电堆的输出电压与施加直流功率的函数关系

电信设备（包括音频至射频范围）的生产和维护所用的电平表已用非晶硅热电堆功率传感器制成。非晶硅电平表（均方根值检测表）与常规的真空管型热偶表相比，具有较好的线性、温度稳定性和精度。

　　五、

    总之,非晶态材料是一种大有前途的新材料,但也有不尽如人意之处。其缺点主要表现在两方面,①由于主要是采用急冷法制备材料

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