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1、1Z-元件特性与应用的扩展摘要：Z-元件具有进一步的开发潜力，扩充其特性和应用可形成一些新型电子器件。本文在温、光、磁敏 Z-元件的基础上，依据对 Z-元件工作机理的深入探讨，开发出一些新型的半导体敏感元件，如掺金 -硅热敏电阻、力敏 Z-元件以及新型V/F 转换器。本文着重介绍了这些新型敏感元件的电路结构与工作原理。这些新型敏感元件都具有生产工艺简单、体积小、成本低等特点。 关键词：热敏电阻，掺金 -硅热敏电阻，Z-元件，力敏 Z-元件，V/F 转换器 一、前言 Z-半导体敏感元件简称 Z-元件性能奇特，应用电路简单而且规范，使用组态灵活，应用开发潜力大。它包括 Z-元件在内仅用两个或 3
2、个元器件，就可构成电路最简单的三端传感器，实现多种用途。特别是其中的三端数字传感器，已引起许多用户的关注。 Z-元件现有温、光、磁，以及正在开发中的力敏四个品种，都能以不同的电路组态，分别输出开关、模拟或脉冲频率信号，相应构成不同品种的三端传感器。其中，仅以温敏 Z-元件为例，就可以组合出 12 种电路结构，输出 12 种波形，实现 6 种基本应用3。再考虑到其它光、磁或力敏 Z-元件几个品种，其可供开发的扩展空间将十分可观。为了拓宽 Z-元件的应用领域，很有从深度上和广度上进一步研究的价值。 本文在前述温、光、磁敏 Z-元件的基础上，结合生产工艺和应用开发实践，在半导体工作机理上和电路应用组
3、态上进行了深入的扩展研究，形成了一些新型的敏感2元件。作为其中的部分实例，本文重点介绍了掺金 g-硅新型热敏电阻、力敏 Z-元件以及新型 V/F 转换器，供用户分析研究与应用开发参考。这些新型敏感元件都具有体积小、生产工艺简单、成本低、使用方便等特点。 二、掺金 g-硅新型热敏电阻 1概述 用 g-硅单晶制造半导体器件是不多见的，特别是用原本制造 Z-元件这样的高阻g-硅单晶来制造 Z-元件以外的半导体器件，目前尚未见到报导。Z-元件的特殊性能，主要是由掺金高阻 g-硅区也就是 n-i 区的特性所决定的，对掺金高阻 g-硅的性能进行深入地研究希望引起半导体器件工作者的高度重视。 本部分从对掺金
4、 g-硅的特性深入研究入手，开发出一种新型的热敏元件，即掺金g-硅热敏电阻。介绍了该新型热敏电阻的工作原理、技术特性和应用特点。2掺金 g-硅热敏电阻的工作机理 “掺金 g-硅热敏电阻”简称掺金硅热敏电阻，它是在深入研究 Z-元件微观工作机理的基础上，按新的结构和新的生产工艺设计制造的，在温度检测与控制领域提供了一种新型的温敏元件。 为了熟悉并正确使用这种新型温敏元件，必须首先了解它的工作机理。Z-元件是其 N 区被重掺杂补偿的改性 PN 结，即在高阻硅材料上形成的 PN 结，又经过重3金属补偿，因而它具有特殊的半导体结构和特殊的伏安特性。图 1 为 Z-元件的正向伏安特性曲线，图 2 为 Z
5、-元件的半导体结构示意图。 由图 1 可知，Z-元件具有一条“L”型伏安特性1，该特性可分成三个工作区：M1高阻区，M2 负阻区，M3 低阻区。其中，高阻的 M1 区对温度具有较高的灵敏度，自然成为研制掺金 g-硅热敏电阻的主要着眼点。 从图 2 可知，Z-元件的结构依次是：金属电极层P+欧姆接触区P 型扩散区P-N 结结面低掺杂高补偿 N 区，即 n-.i 区n+欧姆接触区金层电极层。可见 Z-元件是一种改性 PN 结，它具有由 p+-p-n-.i-n+构成的四层结构，其中核心部位是N 型高阻硅区 n-.i，特称为掺金 g-硅区。掺金 g-硅区的建立为掺金 g-硅热敏电阻奠定了物理基础。Z-
6、元件在正偏下的导电机理是基于一种“管道击穿”和“管道雪崩击穿”的模型2。Z-元件是一种 PN 结，对图 2 所示的 Z-元件结构可按 P-N 结经典理论加以分析，因而在 p-n-.i 两区中也应存在一个自建电场区。该电场区因在 P 区很薄，自建电场区主要体现在 n-.i 区，且几乎占据了全部 n-.i 型区，这样宽的电场区其场强是很弱的，使得 Z-元件呈现了高阻特性。如果给 Z-元件施加正向偏压，这时因正向偏压的电场方向同 Z-元件内部自建电场方向是相反的，很小的正向偏压便抵消了自建电场。这时按经典的 PN 结理论分析，本应进入正向导通状态，但由于 Z-元件又是一种改性的 PN 结，其 n-.
7、i 型区是经重金属掺杂的高补偿区，由于载流子被重金属陷阱所束缚，其电阻值在兆欧量级，其正向电流很小，表现在“L”曲线是线性电阻区即“M1”区。这时，如果存在温度场，由于热激发的作用使重金属陷阱中释4放的载流子不断增加，并参与导电，必然具有较高的温度灵敏度。在 M1 区尚末形成导电管道，如果施加的正向偏压过大，将产生“管道击穿”，甚至“管道雪崩击穿”，将破坏了掺金 g-硅新型热敏电阻的热阻特性，这是该热敏电阻的特殊问题。 在这一理论模型的指导下，不难想到，如果将 Z-元件的 n-.i 区单独制造出来，肯定是一个高灵敏度的热敏电阻（由于半导体伴生着光效应，当然也是一个光敏感电阻），由此可构造出掺金
8、 g-硅新型热敏电阻的基本结构，如图 3 所示。由于掺金g-硅新型热敏电阻不存在 PN 结，其中 n-.i 层就是掺金 g-硅，它并不是 Z-元件的n-.i 区。测试结果表明，该结构的电特性就是一个热敏电阻。该热敏电阻具有 NTC特性，它与现行 NTC 热敏电阻相比，具有较高的温度灵敏度。 3掺金 g-硅热敏电阻的生产工艺 掺金 g-硅热敏电阻的生产工艺流程如图 4 工艺框图所示。可以看出，该生产工艺过程与 Z-元件生产工艺的最大区别，就是不做 P 区扩散，所以它不是改性 PN 结，又与现行 NTC 热敏电阻的生产工艺完全不同，这种掺金 g-硅新型热敏电阻使用的特殊材料和特殊工艺决定了它的性能
9、与现行 NTC 热敏感电阻相比具有很大区别，其性能各有优缺点。 4掺金 g-硅热敏电阻与 NTC 热敏电阻的性能对比 从上述结构模型和工艺过程分析可知，掺金 g-硅层是由金扩入而形成的高补偿的N 型半导体，不存在 PN 结的结区。它的导电机理就是在外电场作用下未被重金属补偿的剩余的施主电子参与导电以及在外部热作用下使金陷阱中的电子又被激活而参与导电，而呈现的电阻特性。由于原材料是高阻 g-硅，原本施主浓度就很5低，又被陷阱捕获一些，剩余电子也就很少很少。参与导电的电子主要是陷阱中被热激活的电子占绝对份额。也就是说，掺金 g-硅热敏电阻在一定的温度下的电阻值，是决定于工艺流程中金扩的浓度。研制实
10、践中也证明了这一理论分析。不同的金扩浓度可以得到几千欧姆到几兆欧姆的电阻值。金扩散成为产品质量与性能控制的关健工序。我们认为，由于掺金 g-硅热敏电阻的导电机理与现行的 NTC 热敏电阻的导电机理完全不同，所以特性差别很大，也存在各自不同的优缺点。掺金 g-硅热敏电阻的优点是：生产工艺简单，成本低，易于大批量生产，阻值范围宽（从几千欧姆到几兆欧姆），灵敏度高，特别是低于室温的低温区段比 NTC 热敏电阻要高近一个量级。其缺点是：一批产品中电阻值的一致性较差、线性度不如 NTC，使用电压有阈值限制，超过阈值时会出现负阻。 掺金 g-硅新型热敏电阻与 NTC 热敏电阻的电阻温度灵敏度特性对比如图
11、5 所示。在不同温度下，温度灵敏度的实测值对比如表 1 所示。 掺金 g-硅热敏电阻是一种新型温敏元件。本文虽作了较详细的工作机理分析，但现在工艺尚未完全成熟，愿与用户合作，共同探讨，通过工艺改进与提高，使这一新型元件早日成熟，推向市场，为用户服务。表 1 不同温度下温度灵敏度实测值对比(k/C) 6C0# 1# 2# 3# 4# 5# 6# 注 6.3 12.4 29.8 28.9 32.1 25.7 35.0 36.1 10.7 79.5 21.0 20.5 22.8 17.8 24.9 25.6 14.9 7.9 16.2 15.9 17.3 13.6 19.2 19.6 21.3 5.
12、1 9.3 9.1 89.9 7.9 11.0 11.2 26.9 4.2 7.7 7.8 7.0 8.2 7.1 8.0 31.0 3.4 4.2 4.4 4.7 3.7 5.2 95.2 36.2 2.7 3.2 3.2 23.4 2.7 3.8 3.8 42.1 2.0 2.2 2.2 2.3 1.8 2.6 2.5 1049.5 1.0 1.0 1.0 1.1 0.8 1.3 1.3 57.0 0.9 0.8 0.8 0.9 0.7 1.0 1.0 67.0 0.7 0.6 110.6 0.6 0.5 0.7 0.7 74.5 0.7 0.5 0.5 0.5 0.43 0.6 0.6
13、86.0 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 120.3 0.3 注：表 1 中 0#样件为 NTC 热敏电阻，1#-6#样件为掺金 g-硅热敏电阻。 三、力敏 Z-元件 1概述 “力”参数的检测与控制在国民经济中占有重要地位。力敏元件及其相应的力传感器可直接测力，通过力也可间接检测许多其它物理参数，如重量，压力、气压、差压、流量、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、扭矩、振动等，在机械制造、机器人、工业控制、农业气象、医疗卫生、工程地质、机电一体化产品以及其它国民经济装备领域中，具有广泛的用途。 在力参数的检测与控制领域中，现行的各种力敏元件或力传感器，包括电阻应变片、扩散硅应
14、变片、扩散硅力传感器等，严格说，应称为模拟力传感器。它只能输出模拟信号，输出幅值小，灵敏度低是它的严重不足。这三种力敏元件或力传感器，为了与数字计算机相适应，用户不得不采取附加的数字化方法（即加以放大和A/D 转换）才能与数字计算机相连接，使用极其不便，也增加了系统的成本。 Z-元件能以极其简单的电路结构直接输出数字信号，非常适合研制新型数字传感器1，其中也包括力数字传感器。这种力数字传感器输出的数字信号（包括开关信号和脉冲频率信号），不需 A/D 转换，就可与计算机直接通讯，为传感器进一步智13能化和网络化提供了方便。我们在深入研究 Z-元件工作机理的基础上，初步研制成功力敏 Z-元件，但目
15、前尚不成熟，欢迎试用与合作开发这一新器件，实现力检测与控制领域的技术创新。 2力敏 Z-元件的伏安特性 如前所述，力敏 Z-元件也是一种其 N 区被重掺杂补偿的改性 PN 结。力敏 Z-元件的半导体结构如图 6(a)所示。按本企业标准电路符号如图 6(b)所示，图中“+”号表示 PN 结 P 区，即在正偏使用时接电源正极。图 6(c)为正向“L”型伏安特性，与其它 Z-元件一样该特性也分成三个工作区：M1 高阻区，M2 负阻区，M3 低阻区。描述这个特性有四个特征参数：Vth 为阈值电压，Ith 为阈值电流，Vf 为导通电压， If 为导通电流。 M1 区动态电阻很大，M3 区动态电阻很小（近
16、于零），从 M1 区到 M3 区的转换时间很短（微秒级）， Z-元件具有两个稳定的工作状态：“高阻态”和“低阻态”，工作的初始状态可按需要设定。若静态工作点设定在 M1 区，Z-元件处于稳定的高阻状态，作为开关元件在电路中相当于“阻断”。若静态工作点设定在 M3 区，Z-元件将处于稳定的低阻状态，作为开关元件在电路中相当于“导通”。在正向伏安特性上 P 点是一个特别值得关注的点，特称为阀值点，其坐标为：P(Vth，Ith)。P 点对外部力作用十分敏感，其灵敏度要比伏安特性上其它诸点要高许多。利用这一性质，可通过力作用，促成工作状态的一次性转换或周而复始地转换，就可分别输出开关信号或脉冲频率信号。 143力敏 Z-元件的电路结构 力敏 Z-元件的应用电路十分简单，利用其“L”型伏安特性，在力载荷的作用下，很容易获得开关量输出或脉冲频率输出。力敏 Z-元件的基本应用电路如图 7 所示。其中，图 7(a)为开关量输出，图 7( b)为脉冲频率输出。其输出波形分别如图 8 和图 9 所示。 在图 7 所示的应用电路中，电路的结构特
