《半导体传感器》配套教学课件

半导体传感器绪论一、课程意义

⒈专业培养的要求⒉传感技术的重要性①现代信息技术的三大支柱之一；②传感器在人类生活中的广泛应用；

⒊国内传感器现状及发展趋势

信息技术是管理和处理信息所用的各种技术的总称，现代信息技术的基础有三个主要方面：①信息采集——传感器技术②信息传输——通信技术③信息处理——计算机技术（包括软件和硬件）目前提到的传感器，大多是指能输出电信号的装置。它在信息系统中处于常处于前端，它的性能如何将直接影响整个系统的工作状态与质量。因此人们对传感器在信息社会中的重要性具有相当高的评价。传感器的重要性体现在它分布于人类的众多生活领域，并与各个学科的发展紧密联系。应用领域所占比例%应用领域所占比例%信息处理与通讯8环保气象安全10科学仪器仪表11.7资源与海洋开发1.4电力与能源5.3医疗卫生11机械制造设备18.1农业渔业0.7家用电器13.9土木建筑与工程0.7汽车7.3商业金融0.2运输1.6其他7.3空间开发2.7表1.1传感器的市场结构传感器的应用实例——火灾报警器火灾报警器外形示意图火灾报警器结构和原理示意图传感器的应用实例——利用光脉冲测量车速和行程测量原理示意图光源光电接收装置电阻式远传压力表感应式流量表称重传感器CCD传感器质子旋进式磁敏传感器压阻式液位传感器光敏传感器温度传感器风力参数传感器地震检波器反射式光敏传感器磁、气、力敏传感器超声传感器1.成就：

我国早在20世纪60年代就开始涉足传感器制造业，1972年组建成中国第一批压阻传感器研制生产单位。从改革开放以来，我国传感器技术及其产业取得了长足进步，主要表现在：建立了传感技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地；MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点；经过多年的产业化建设，全国已有2000多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用。目前中国市场进入“百家争鸣”时期，传感器行业将迎接新的机遇和挑战。我国传感器的发展现状2.不足

活跃在国际传感器市场上的仍然是美国、日本、德国等老牌工业国家的企业，而我国传感器行业总体技术水平落后于世界水平5～10年，某些核心制造工业技术严重滞后于国外，使我国传感器企业在国内与国际市场上缺少竞争力。

由于批产工艺的稳定性、可靠性问题没有得到根本解决，有些高性能产品，不是靠工艺保证，而是靠筛选分档，主要性能指标和国外差1-2个数量级，寿命差2-3级。

对传统传感器的革新改进不足，微小型化步子慢，集成化、智能化和纳米技术与国外差距大，科技创新差，拥有自主知识产权的产品少。从总体发展看，传统硅技术将一直延续到2047年才趋达到芯片特征尺寸的极限和衰退。而当前微电子技术仍将依循“等缩比原理”和“摩尔定律”两条基本规律，在尽力逼近传统硅技术极限中，不断扩展硅的跨学科横向应用（如MEMS等）和突破“非稳态物理器件”（量子、分子器件），这也是当前乃至未来20年传感器技术的主要发展方向。

结合我国的实际情况，国内传感器的发展趋势将集中在以下几个方向：我国传感器的发展趋势（1）传感器的微型化、集成化和多功能化将传感器、信号处理器、控制系统、电源系统等产品一体化，作为投入市场的初始产品，才能获取行业的重视，满足市场需求。利用集成电路工艺及MEMS工艺，可以实现微小尺寸传感器的生产，在兼容的生产工艺条件下，传感器的集成化和多功能化不在是梦想。已经获得广泛应用的多功能硅压力/差压传感器是小型集成化的典型。它是在4mm＊4mm的硅片上，采用微电子平面工艺和微机械加工工艺，采用三坯双岛的复合敏感结构，实现了差压、静压和温度三参数的同时测量。

（2）新材料的研发

随着材料行业对传感器敏感材料进一步的开发，传感器新敏感材料不断推出，高新材料已广泛用于新型传感器制造研发中，如光纤传感器，光纤传感器可分为传感型和传光型两大类。利用外界因素改变光纤中光波的特征参数，从而对外界因素进行计量和数据传输的传感器，称为传感型光纤传感器。传光型光纤传感器是指利用其他敏感原件测得的特征量，由光纤进行数据传输的传感器。与传统传传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、体积小、测量对象广泛和使用寿命长等特性，因此已成为最优潜力的传感器之一。（3）传感器的智能化

传感器的数字化和智能化的出现是传感器产业又一次突破，也成为当今传感器行业发展的重要发展方向之一。智能传感器将微处理、通信总线接口、信息检测、信息处理和信息传输等功能一体化，并自行进行补偿、校正、故障排除，将只能进行单一检测、单一功能的传统传感器与智能化技术相结合，实现传感器的多种测量、多种变量的特性。另外数字传感器内部结构简单，利用纯数字电路进行测量，抗干扰性强。随着计算机技术的发展，传感器的数字化和智能化得到了最大意义的体现，具有更大的发展潜力和空间。（4）网络化智能传感器传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感网络的节点间距离很短，一般采用多跳（multi-hop）的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到Internet，使用户可以远程访问。传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。课程的研究对象和主要内容学习重点及学习方法二、课程内容及学习重点：课程的研究对象及主要内容研究对象：主要研究利用半导体材料或器件的某些物理性质或效应制成的对某种物理量敏感的器件。主要内容：三大部分

第一章：传感器的基本概念：如定义，组成，分类等；

第二章～第六章：半导体光传感器、温度传感器、磁传感器、压力传感器、气体传感器；

第七章～第十章：介绍离子传感器、生物传感器、智能传感器和MEMS传感器的基本情况。学习重点及方法：一、掌握基本概念；二、掌握各类典型半导体传感器元件的工作原理、结构及特性；三、掌握典型传感器的工作电路及分析方法三、参考书籍1.《半导体传感器原理及其应用》

牛德芳主编

大连理工大学出版社。2.《传感器原理与检测技术》

童敏明唐守锋董海波编著

机械工业出版社。第一章传感器的基本概念§1.1传感器的定义、组成和分类§1.2传感器的特性参数§1.1传感器的定义、组成和分类一、传感器的定义根据国家标准(GB7665-87)《传感器通用术语》，传感器(Transducer/Sensor)的定义是：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。有些国家和有些学科领域，将传感器称为换能器、变换器、探测器或检测器等。

理解传感器的定义，请注意以下三个方面：①输入量即是被测量，可能是物理量也可能是化学量、生物量等；②由于电信号易于保存、放大、计算和传输，且是计算机唯一能够直接处理的信号，所以传感器的输出一般是电信号；③输出输入有对应关系，即其工作原理，应有一定的精确程度。二、传感器的组成压力传感器示例

通常传感器主体部分由敏感元件和转换元件两部分组成。其中敏感元件(Sensingelement)是指传感器中能直接感受被测量并转换成某种量的变化；转换元件(Transitionelement)是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电学量变化。下面是传感器的组成方框图1.1。被测信息敏感元件转换元件辅助电源测量电路电信号图1.1传感器组成方框图图1.2压力传感器敏感元件转换元件应说明的是，并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件和转换元件两个部分。有的传感器二者合二为一，例如硅光电池是将感受的被测量——光能直接转换为电信号输出，没有中间转换电路的部分。而有的传感器，转换元件则不止一个，要经过若干次转换。测量电路：常常作为转换元件的辅助部分，对转换元件的输出量起放大、模/数转换、修正、补偿等作用。三、传感器的分类1.按外界输入的信号变换为电信号采用的效应分类

物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器

⑴物理型传感器

利用物理效应进行信号变换的传感器称为物理型传感器，它利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能进行被测非电量的变换。如：利用半导体材料在被测量作用下引起电阻值变换的压阻效应制成的压阻式传感器。物理型传感器又可以分为结构型传感器和物性型传感器两种。①结构型传感器以结构（形状、尺寸等）为基础，利用物理规律来转换被测量。如电容式压力传感器（工作时两极间距发生变化）。结构型传感器强调要依靠精密设计制作的结构才能正常工作。②物性型传感器利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应来转换被测量。所以物性型传感器主要依靠材料本身的物理特性、物理效应来实现。⑵化学型传感器

利用电化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子敏传感器，如离子选择电极，核心部分是离子选择性敏感膜。⑶生物型传感器

这是利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如免疫传感器。2.按工作原理分类这种分类方法是以传感器的工作原理（即输入与输出之间的转换关系）作为分类的依据，如应变式、压阻式、压电式、电容式、霍尔传感器等等，通常能从其名称揣测该类传感器的工作原理，有利于传感器专业工作者从原理与设计上作归纳性的分析研究。3.按被测量对象分类

按传感器的被测量对象——输入信号分类，能够很方便地表示传感器的功能，便于用户选择。如温度传感器、压力传感器、气体传感器等等名称。这种分类方法还涉及基本量和派生量的概念，例如力派生出重力、应力、力矩等；位移派生出长度、厚度、旋转角等；速度派生出振动、流量、转速、角振动等；加速度派生出冲击、扭矩、转动惯量等；时间派生出周期、计数、统计分布；温度派生热容量、涡流；光派生出光谱分布等。4.按外加电源分类——有源和无源⑴有源传感器（能量转换型传感器）——能将非电量直接转换成电信号，所以有时被成为“换能器”。例如压电式（超声波换能器）、热电式（热电偶）、光电式（光电池）等。⑵无源传感器（能量控制型传感器）——不能将被测量直接转换成电学量，由辅助电源供给电能，被测量对该电能起能量控制作用，如电容式传感器、压阻式传感器等。

5.按构成传感器的功能材料分类

按构成传感器的功能材料不同，可将传感器分为半导体传感器、陶瓷传感器、光纤传感器、高分子薄膜传感器等等。

6.按某种高新技术命名的传感器分类

根据某种高新技术命名，如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等。§1.2传感器的特性参数传感器输出与输入关系通常是以数学模型来体现，理论上当输入信号为静态量、准静态量或动态量时，可以用带随机变量的非线性微分方程作为模型。由于输入信号状态不同，传感器所表现的输出特性也不同，所以实际上，传感器的静、动态特性可以分开来研究。传感器的特性可分为静态特性和动态特性两大类。当输入量为常量，或变化极慢时（即输入量为静态或准静态信号），这一关系称为静态特性；当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。

由于不同性质的传感器有不同的内在参数关系（即有不同的数学模型），它们的静、动态两个数学模型也表现出不同的特点。为了研究各种传感器的共性，这里我们提出传感器的静、动态数学模型的一般形式，然后根据各种传感器的不同特性，再作以具体条件的简化后给予讨论。应该指出的是，一个高性能的传感器必须具备良好的静态和动态特性，这样才能完成无失真的信息转换。一、传感器静态特性的方程表示方法若不考虑滞后、蠕变的条件下，传感器静态模型的一般形式在数学理论上可以用n次方代数方程来表示，即：

式中：y—输出量；x—输入量；a0—零位输出；

a1—线性灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项的待定常数，可正可负。各项系数不同，决定了不同传感器特性曲线的具体形式。1.2.1传感器的静态特性y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn理想和非理想的线性特性差异校准试验1.2.1传感器的静态特性二、传感器的主要静态性能指标1．线性度为了标定和数据处理的方便，总希望输出和输入之间是线性关系，于是采用硬软件补偿来进行线性化处理，这样就使得输出不可能丝毫不差的反映被测量的变化，总是存在一定的误差，即使实际是线性关系的特性，测量的线性关系也并不完全与其重合，而常用一条拟合直线近似代表实际的特性曲线。

线性度的定义：传感器的实测输入输出特性曲线与理论拟合直线（理想输入输出特性曲线）的最大偏差对传感器满量程输出之比的百分数表示。线性度也成为“非线性误差”或“非线性度”。δ=△maxA×100%最大偏差满量程输出平均值图1.3线性度的表示方法图

1.4

不同拟合直线下传感器的线性度

线性度的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。

按拟合直线不同，线性度有以下几类：①理论线性度；②端基线性度；③独立线性度；④最小二乘法线性度。设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxi图1.5最小二乘拟合法最小二乘法线性拟合法简介：y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为：最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即Δi=yi-(kxi+b)对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式。将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出非线性误差。即得到k和b的表达式2．迟滞（滞环）0yx⊿mA图1.6传感器的迟滞特性

如图所示，在相同的工作条件下进行全范围测量时，传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入特性曲线不重合称为迟滞。100%式中△m—正反向特性曲线间的最大偏差。A—传感器满量程输出平均值。最大滞环误差率表示为：一般来说，输入增加到某值时的输出要比输入下降到该值时的输出值小，如果存在迟滞差，则输入和输出的关系就不是一一对应了，因此必须尽量减少这个差值。3．重复性yx0⊿m2⊿m1

重复性误差可表示为：

重复性是指在相同的工作条件下，传感器在输入按同一方向作全量程连续多次测量时所得特性曲线不一致的程度。各条曲线越靠近，重复性就越好。△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。A100%图1.7

传感器的重复性4．灵敏度

如果输入输出特性为线性的传感器或仪表，则：K=Δy/Δx

传感器输出的变化量△y与引起该变化量的输入变化量△x之比即为其静态灵敏度，其表达式为K=

y

/

x

如果传感器系统的输入输出特性为非线性，则灵敏度不是常数，应以dy/dx表示传感器在某一工作点的灵敏度。对于需要外加辅助电源的传感器，其输出与供给的电源电压有关，所以其灵敏度的表达式往往需要包括电源电压的因素。

对数字显示的测试系统，分辨率是数字显示的最后一位所代表的的值。对指针式测试仪表，分辨率与人们的观察能力和仪表的灵敏度有关。5．分辨率

分辨率也称灵敏度阈值，即引起输出量产生可观测的微小变化所需的最小输入量的变化量。从微观来看，传感器的特性曲线并不是十分平滑的，而是由许多微小的起伏。当输入量改变Δx时，输出量变化Δy，Δx变小，Δy也变小。但是一般来说，Δx小到某种程度，输出量就不再变化了，这时的Δx就是分辨率或灵敏度阈值。

6．精度

传感器的检测装置的精度包括精密度、准确度和精确度三项。①精密度：在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度。②准确度：表示测量仪器指示值对真值的偏离程度。③精确度：是精密度和准确度的综合反映。图1.8

精密度、准确度和精确度的差异

7．稳定性

传感器的稳定性好坏，可以观察输出值的漂移情况。零点漂移：在一定条件下，保持输入信号不变，输出信号随时间而变化。产生漂移的原因很多，如环境温度、湿度的影响，检测电路元器件的影响等。

稳定性是指测量值随时间的变化程度。理想的情况是，无论何时传感器的灵敏度等特性参数都不随时间变化，但实际上大多数传感器的特性都会随时间改变，因此传感器必须定期进行校准。1.2.2传感器的动态特性

所谓动态特性指标，主要是指传感器输入信号随时间变化时输出信号随之响应的情况，比如说传感器在测量动态压力、振动、上升温度时，都离不开动态指标。被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。对动态特性的研究，我们从以下几个方面进行：一、数学模型与传递函数二、动态特性的研究示例一．数学模型与传递函数⑴数学模型分析传感器动态特性，也要对输出和输入之间建立数学模型（方程）。比如常见的传感器系统，在不考虑迟滞、蠕变的情况下，其数学模型可表示成一个常微分方程形式，即：y——输出量y(t)；x——输入量x(t)；t——时间a0，a1，…，an——常数；b0，b1，…，bm——常数

——输出量对时间t的n阶导数；

——输入量对时间t的m阶导数对一般的传感器，常有b0≠0,b1～bn均为零。微分方程可以简化为(0-1)

复杂的传感器，其物理模型通常可分别用零阶、一阶和二阶的常微分方程或其组合来描述。比如说电位器传感器可视为零阶系统，热敏传感器可视为一阶系统，加速度传感器可视为二阶系统。（见例题1）例题1：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统输入量(压力)F为F(t)=b0x(t)，输出量为位移y(t)，列出其微分方程。图1.9

某一阶传感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：根据牛顿第二定律：

{f阻力+f弹力=F(t)}阻尼系数弹性系数

对于较为复杂的系统，微分方程的求解过程也很复杂，我们可以根据《信号与系统》中的知识，利用传递函数（系统函数）来处理。返回在x(t)为已知的情况下，余下的问题归结到这个一阶常系数微分方程的求解问题程的求解问题。⑵传递函数

动态特性的传递函数H（S）在线性或线性化定常系统中是指初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。对微分方程通式进行拉普拉斯变换，处理后即可得到系统的传递函数Ｈ(S)。Y(

S)(anSn+an-1Sn-1+an-2Sn-2+……+a1S+a0)=X(

S)(bmSm+bm-1Sm-1+bm-2Sm-2+……+b1S+b0)H(S

)=Y(

S)X(

S)=anSn+an-1Sn-1+an-2Sn-2+……+a1S+a0bmSm+bm-1Sm-1+bm-2Sm-2+……+b1S+b0图

1.10

传递函数框图H(S)xy其中S为拉氏变换的自变量,是个复数S=σ+jω

对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联，串联系统与并联系统的传递函数如图所示。

对Ｙ(S)=Ｈ(S)Ｘ(S)进行反变换，即可得到Y(t)与X(t)关系。（微分方程的拉氏变换求解法）串联系统：总传递函数为各子系统传递函数的积。并联系统：总传递函数为各子系统传递函数的和。图

1.11

串联系统（a）和并联系统（b）（a）（b）例题2：求例题1的传递函数。系统输入量(压力)F为

F(t)=b0x(t)，输出量为位移y(t)。图1.12

一阶传感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：①列出微分方程②作拉普拉斯变换③令H(S)中的S=jω,即σ=0由Ｈ(jω)就可以分析该系统的响应特性。二、动态特性研究示例1.一阶传感器系统一阶传感器系统又称惯性系统，其运动方程为：f—阻尼系数k—常数（动力学的刚度系数）其对应的传递函数为：其中的T称为时间常数，表示传感器的滞后程度。因此一般根据y达到稳定值的63.2%所用的时间T（时间常数），来衡量一个传感器系统动态响应的速度。T值越大，动态响应越慢，动态误差越大且存在时间越长。时间常数T是一阶传感器系统的主要动态特性指标，一般希望它越小越好。一阶传感器系统在阶跃输入下的响应特性如图所示。显然，只有当t→∞时，y才能达到其稳定值y0。ty0y0

输出响应为：T

通常响应时间定义为输出达到稳定值的90%或95%所需的时间。图1.13

一阶传感器的阶跃响应传递函数W（s）是个复数，把s表示成jω的形式，于是W（s）可以用e指数的形式表示：

W(jω)的实部W(jω)的虚部如果输入时正弦信号：还以刚才的一阶传感器为例：传递函数：频率响应特性：幅频特性：相频特性：负号表示相位滞后2.二阶传感器系统二阶传感器系统又称振荡系统，其运动方程为：式中其对应的传递函数为：ω0—系统固有频率；ξ—阻尼比。二阶传感器系统在阶跃输入下的响应特性如图：yx0图1.14

二阶传感器的阶跃响应阻尼比Ξ的大小决定了二阶传感器系统的响应特性：①ξ<1（欠阻尼）时，输出响应呈衰减振荡波形；②ξ=1（临界阻尼）时，输出响应呈临界振荡状态；③ξ>1（过阻尼）时，输出响应呈惯性特性。本章主要内容小结：⒈掌握基本概念：传感器的定义、组成、分类方法；⒉掌握传感器静态特性指标的含义；了解一阶、二阶传感器系统动态特性的阶跃响应。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的光传感器，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成，这里我们主要考虑光电元件部分。常见的半导体光电传感器有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等器件。第二章半导体光电传感器

光电传感器的物理基础是光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。如果把光看做波群，则波群的能量E和频率ν之间的关系为：不同颜色的光子因其光波频率不同而能量不同，频率越高，光子能量越大。光照射在物体上，一系列能量为E的光子被电子吸收产生光电效应。光电效应分为两大类：外光电效应和内光电效应。§2.1

光电传感器的物理效应（h为普朗克常数）一、外光电效应在光线的作用下，物体表面电子吸收光子的能量，逸出物体表面的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子，基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。外光电效应要求入射光子的能量hν>W（电子的逸出功），所以利用外光电效应制作的光电器件，对入射光都有一个确定的频率限，称为“红限”。相应的入射光波长λk为：式中c—光速：W—逸出功。光电管光电管结构如图2.1所示，在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极K和光电阳极A。阴极通常用逸出功W小的光敏材料（如铯）涂覆在玻璃泡内壁上做成，感光面对准光的照射孔。图2.1光电管的结构示意图图2.2光电管测量电路阳极电位高于阴极，光照下从阴极表面逸出的电子达到阳极形成光电流。光强越大，光电流也越大，在图2.2的测量电路中，电流和电阻上的电压及光强成函数关系，实现光电转换。

阴极材料不同的光电管适用于不同的光谱范围，且对不同频率的入射光的灵敏度不相同，所以我们需要根据检测对象时紫外光、可见光还是红外光来选择阴极材料不同的光电管，以获得满意的灵敏度。光电倍增管为了提高光电感的灵敏度，研制了具有电流放大能力的光电倍增管，结构如图2.3所示。在阳极和阴极之间有若干倍增极，相邻电极之间保持电位差。阴极电位最低，阳极电位最高。光电子在倍增电极之间被加速，轰击倍增电极时，引起二次电子发射，一个光电子产生多个二次电子；再被加速，继续轰击产生新电子……于是，电子数量迅速增加，最后达到阳极时，形成很大的阳极电流，所以光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内有良好的线性，适用于微光测量。图2.3光电倍增管结构示意图

入射光引起材料内部产生新的电子或空穴，这些新载流子使材料的电学性质发生变化，称之为内光电效应。半导体光传感器多基于内光电效应，根据工作原理的不同，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。1.光电导效应

其特点为入射光能改变材料电导率。基于光电导效应的半导体光传感器以光敏电阻为代表，在光线的作用下，光敏电阻的阻值变小。附加电导率公式：二、内光电效应2.光生伏特效应

在内部存在势垒的材料中，入射光子在势垒区产生电子-空穴对，光生电子和空穴在内建电场的作用下向相反的方向移动，从而产生感应电势，形成光电流，这种现象称为光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有半导体光敏二极管、三极管、光电池等。光电导效应型光传感器的典型代表为光敏电阻。光敏电阻为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体，比如硫化镉光敏电阻、硒化铟光敏电阻等。该类光电传感器的优点是灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、寿命长等；但不足之处是需要外部电源，有电流时会发热，必须考虑耗散功率的问题。§2.2光电导效应型光电传感器一、光敏电阻的工作原理

工作原理：当光照射到光敏电阻上时，若发生光电导效应，则导带电子和价带空穴数目增加，使光敏材料的电阻率变小。光照越强，阻值越低。可以通过阻值的变化情况来检测光照情况。为实现光电导效应，对入射光的能量有一定要求。比如对本征光敏电阻，要求入射光波长λc：式中Eg为光敏材料的禁带宽度（eV）。所以，这样的光敏电阻检测时有长波限λC。

以CdS光敏电阻为例，其结构如图2.4所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。A图2.4

金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬底引线电极引线光电导体由于光电导效应大多发生在接受光照的表面层，所以光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。二、光敏电阻的结构1--光敏电阻薄膜;2--玻璃窗口;3--金属外壳;4--电极;5--陶瓷基座;6--黑色绝缘玻璃;7--电阻引线。RG1234567(a)结构(b)电极(c)符号它是在一定的掩模下向光敏材料薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的符号。

图2.5CdS光敏电阻的内部结构和符号三、光敏电阻的特性⒈暗电阻和亮电阻；暗电流、亮电流和光电流光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。

光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往在MΩ以上，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。⒉光照特性图2.6表示CdS光敏电阻的光照特性，即光电流和光照度之间的关系。光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，因此不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处，常在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mAL/lx10002000图2.6CdS光敏电阻的光照特性⒊光谱特性光敏电阻对波长不同的单色光的响应灵敏度不同，其光谱特性与光敏电阻的材料（比如材料的禁带宽度、掺杂情况）有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅图2.7CdS光敏电阻的光谱特性如何调整峰值位置？⒋伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。如图2.8所示，光敏电阻的伏安特性近似成直线，而且无饱和现象。实际使用中，受耗散功率的限制，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许的功耗曲线，由此可以确定正常工作电压。图2.8CdS光敏电阻的伏安特性⒌频率特性用脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性（弛豫特性）。20406080100I/%f/Hz010102103104由于不同材料的光敏电阻频率特性不同，但随着频率增大灵敏度会下降，如图2.9所示。硫化铅的使用频率比硫化铊高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。硫化铅硫化铊图2.9

光敏电阻的频率特性在阶跃脉冲光照射下，光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值；光照停止后，光电流也要经历一段时间才下降到零，这称为光电导的驰豫现象，通常用响应时间来描述，响应时间又包括上升时间tr（从光照到光敏电阻的时刻开始，到光电流达到稳定值的63%为止所经历的时间）和衰减时间tf（从撤去光照时刻到光电流衰减到稳定值的37%为止所经历的时间）。影响光敏电阻响应特性的因素有很多，例如对CdS光敏电阻：①在暗处放置的时间越长，其响应时间也相应延长；②光照的越强，响应时间越短；③增大负载电阻，光电流的上升时间缩短，衰减时间延长。⒍稳定性图2.10中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，可使其性能稳定。I/%408012016021T/h040080012001600光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。图2.10CdS光敏电阻的稳定性⒎温度特性光敏电阻的性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光谱温度特性如图2.11所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC图2.11CdS光敏电阻的光谱温度特性§2.3

光生伏特效应型光电传感器

工作原理：光生伏特效应是在光线作用下，使敏感结构产生一定方向的电动势，或产生光电流的现象。光生电动势和光电流的大小与光照强度密切相关。利用光生伏特效应制作的半导体光电传感器有半导体光电池、光敏二极管、光敏三极管。2.3.1半导体光电池应用最广泛的半导体光电池是硅光电池，因为它有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、耐高温辐射等优点。此外，还有锗光电池、砷化镓光电池等。以下着重介绍硅光电池。一、光电池的结构

在N型硅片上用扩散的方法形成P型区域得到一个大面积的PN结。当光照射在PN结上产生光生伏特效应时，P区和N区之间形成光生电动势。用导线连接两个区，电路中有光电流流过。图2.12

光电池的结构及电路符号1.结构示意图2.电路符号二、光电池的特性

1.光谱特性

图2.13

光电池的光谱特性1-硅光电池2-硒光电池

光电池对不同波长的光，其灵敏度是不同的。图2.13是硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。可见，硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长可在0.45～1.1μm之间，而硒光电池只能在0.34～0.57μm波长范围，它适用于可见光检测。实际使用中应根据光源性质来选择光电池。但是，光电池的光谱峰值位置不仅和光电池的材料有关，也和制造工艺有关，而且随着温度不同会有所移动。2.光照特性光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不同的，如图2.14所示。开路电压与光照度的关系式非线性的，而且在光照度为2000lx时就趋于饱和，而短路电流在很大范围内与光照度呈线性关系，负载电阻越小，线性越好，且线性范围越宽，在检测连续变化的光照度时，可作电流源来使用。图2.14

硅光电池的光电特性1-开路电压特性曲线2-短路电流特性曲线3.温度特性温度特性是光电池的重要特性之一。如图2.15所示，硅光电池的开路电压随着温度的上升而明显下降，短路电流随温度上升确实缓慢增加。因此，光电池作为检测元件时，应考虑温度补偿的问题。图2.15

硅光电池温度特性1-开路电压2-短路电流4.频率特性光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子-空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入射光调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数万赫兹，而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，可进一步减小响应时间，改善频率特性。

2.3.2光敏二极管（光电二极管）一、光敏二极管的结构光敏二极管的基本结构和普通二极管相似，只是其PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以使光线集中照射在PN结上，图2.16是光敏二极管的结构、符号及基本电路。图2.16光敏二极管1.结构示意图和符号2.基本电路二、光敏二极管的工作原理

光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，反向电流的大小取决于少数载流子的浓度。无光照时，少数载流子数目很少，所以反向电流很小。当光照产生光生伏特效应时，光生电子-空穴对分别定向运动形成光电流，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生载流子浓度相应变动，光电流也会随之变动，于是光敏二极管将光信号转换成了电信号。简单来说，光敏二极管在反向偏压下的反向电流（主要是光电流）随光照强度的变化而变化。

三、光敏二极管的特性1.光照特性光敏二极管的光电流与光照度之间呈线性关系，其光照特性是线性的，所以适合定量检测等方面的应用。2.光谱特性特点是：存在长、短波限，存在峰值波长；pn结靠近硅片表面可提高短波响应灵敏度；使用高阻单晶硅材料，可使耗尽区在反偏压时加宽，提高长波响应灵敏度。

3.暗电流的影响在实际应用中，我们期望暗电流越小越好，管芯的受光面积小、所加电压低和环境温度降低都会使暗电流减小，从而影响光敏二极管的性能。此外，硅管的暗电流要比锗管小几个数量级。

四、PIN光敏二极管

PIN管是光敏二极管的改进模式。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体I层，使PN结结电容变小，从而频带将变宽，响应速度快。P-SiN-SiI-Si图2.17PIN管结构示意图图2.18PIN光敏二极管外形优点：频带宽，可达10GHz，提高了响应速度。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，光电转换效率高，暗电流小，线性输出范围宽。不足：I层电阻很大，PIN管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。PIN光敏二极管可用于各种数字与模拟光纤传输系统、各种家电遥控器的接收管（红外波段）等。PIN型光电二极管的特性：五、APD光敏二极管(雪崩式光敏二极管)

APD光敏二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击穿电压。其结构为，如图2.19所示。N-SiP-SiP-Si+图2.19APD管结构示意图图2.20APD光敏二极管外形雪崩式光敏二极管的特性：优点：这种管子有很高的内增益（电流放大功能），具有高响应度。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光敏二极管。

APD光敏二极管可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。六、光敏二极管的应用电路

1.光敏二极管与反相器的连接

图2.21

光敏二极管与反相器连接电路考虑：当光照增加，输出会怎么变化？2.光敏二极管与晶体管组合应用电路

图2.22

光敏二极管与晶体管组合应用电路a图适用于脉冲入射光电路，输出信号与输入信号的相位相反，输出信号一般较大。b图适用于模拟信号电路，电阻RB可以减小暗电流，输出信号与输入信号的相位相同，输出信号一般较小。a集电极输出b发射极输出3.光敏二极管在路灯控制器中的应用

图2.23

路灯控制电路整个电路由感光器件（光敏二极管）、整形电路、放大电路和继电器控制电路等几部分组成。其中IC1为40106起整形作用；VT1为驱动三极管，实现对继电器的控制。VR1可以调节起控亮度；VD2为续流二极管，对继电器K起保护作用。电路原理：VD1为光敏二极管，反向偏置。光线较暗时，VD1产生的光电流很小，IC1输入电压较小，IC1输出高电平，VT1导通，继电器K得电，常开触点闭合，被控电路导通工作。当光线逐渐增强时，VD1中光电流逐渐增大，当IC1输入电压超过3V时，其输出电压变为低电平，VT1截止，继电器K失电，常开触点断开，被控电路停止工作。

2.3.3光敏三极管（光电三极管、光敏晶体管）

一、光敏三极管的结构

光敏三极管与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，在外型上与光敏二极管很像。其外形和结构如图2.24.图2.24光敏三极管内部结构及符号

二、光敏三极管的工作原理当光线照射在集电结的势垒区时，产生电子-空穴对，在内电场的作用下，光生电子被拉到集电极，光生空穴流向基区形成基极电流IL（主要是光电流），于是基极与发射极间的电压差升高使发射结处于正偏状态，光敏三极管导通。当三极管处于放大状态时，集电极电流IC为光电流IL的β倍，具有电流放大作用。图2.25光敏三极管的工作电路三、光敏三极管的特性光敏晶体三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长，并且与具体的三极管材料有关。在图2.26中，当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。1.光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光λ/Å400080001200016000100806040200硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。图2.26光敏三极管的光谱特性0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080图2.27光敏晶体管的伏安特性2.伏安特性

光敏三极管的伏安特性曲线如图2.27所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要把不同光照下所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。U/V图2.28光敏晶体管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.03.光照特性光敏三极管的光照特性如图2.28所示。它给出了光敏三极管的输出电流I（如集电极电流）和照度之间的关系。在很大的光照范围内，它们之间呈现了近似线性关系；在小照度时，光电流随照度增加较小，当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。暗电流/mA光电流/mA10203040506070T/ºC2505010002003004001020304050607080T/ºC图2.29光敏晶体管的温度特性4.温度特性光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响较小，而对暗电流的影响很大。所以低照度时，暗电流的温度特性严重。改善：①硅管；②温度补偿；③对输出交流放大，隔直电容隔断暗电流。5.光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性曲线如图2.30所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%

图2.30光敏晶体管的频率特性三、光敏三极管的应用电路图2.31中光敏三极管的工作原理主要也是考虑光电流的作用。VD和继电器这样的组合应用主要是为了保护继电器，VD为续流二极管，可以应用该电路继电器的吸合和释放去控制后续的执行机构。1.光敏三极管光控继电器电路

图2.31

光敏三极管光控继电器电路达林顿连接法可以得到较大的输出电流，放大倍数可以达到β1×β2。b图中的光电流可以直接驱动小型继电器，c图能获得较大的输出电压。2.光电达林顿晶体管电路

图2.32

光敏三极管的达林顿电路发光二极管或红外发射管发出光线，照射到对面的光电三极管上，输出低电平；当遮挡物插入凹槽时光线被折断，光电三极管阻值很大，输出高电平。如果把遮挡物设计成带孔的转盘，可以用来检测转速。宾馆客房的插卡式电源开关就可以采用该光电断路器。3.光敏三极管构成的光电断路器图2.33

光敏三极管构成的光电断路器黑色线条吸收发光二极管发出的光线，白色间隔发射光线，于是光敏三极管接收到与黑白线的位置对应的不同光信号，并输出高低电平脉冲列。这样的脉冲列经过放大、整形后就是一串01代码，然后调动原先数据库中的商品存储信息，就能找到对应产品。4.条形码扫描笔图2.34

条形码扫描笔笔头结构图2.35

扫描笔输出的脉冲列§2.4CCD图像传感器一、图像传感器简介图像传感器的功能是将拍摄的图像转换成电信号，整个“摄影”的过程可以用图2.36来表示。图2.36

摄像的概念图1.受光产生电荷图像传感器的摄影面接受光线进行光电转换，不同位置的像素上接受的光能不同，就在该像素上对应转换成数目不同的电荷，这一过程中利用了光电效应原理。摄像管的摄影面是由在云母或玻璃灯绝缘板上涂覆光导电膜构成；而CCD图像传感器的摄影面可由大量的光敏二极管构成。2.光生电荷的扫描将摄影面上产生的电荷读取出来，这个过程就是扫描过程。常见的扫描方式有两种：摄像管采用的是电子扫描方式读取，而CCD图像传感器则采用固体扫描方式读取。图2.37

摄像管的扫描摄像管扫描时，电子束一旦打中摄影面的目标位置，则该处的光生电荷形成信号电流流出。图2.38

CCD图像传感器的扫描CCD图像传感器利用具有电子可沿半导体表面移动功能的CCD，将光电转换所得的电子，从光电二极管传输到图像传感器的输出放大器，在此转换出与电子数成正比的电压后输出信号。二、CCD图像传感器CCD图像传感器的工作过程可以分解为以下四个基本步骤：①光电转换（将光转换成信号电荷）；②电荷的储存（储存信号电荷）；③电荷的转移（转移信号电荷：CCD功能）；④电荷的检测（将信号电荷转换为电信号）。结合图2.39，①②过程是在光敏二极管进行，③是在垂直CCD和水平CCD进行，④是在FD放大器进行。图2.39

典型的CCD图像传感器的大致构造与四个过程1.光电转换和电荷的储存CCD图像传感器的光电转换利用的是内光电效应，原理同前面所讲，我们重点说说电荷的储存。

大多数CCD图像传感器利用的光生电荷是光生电子，我们也称它为信号电荷。只要给出合适的正电压，信号电荷就可以在高电势位置处集中储存，储存电荷的电势分布状态，称为电势阱。以MOS构造两端子电容器为例，介绍储存电荷的原理，如图2.40所示。图2.40

MOS电容器储存电荷的原理如果不同位置处正电压高低不同，电子会储存在电势最高的位置处。2.电荷的转移（CCD原理）CCD(ChargeCoupledDevice)称为电荷耦合器件，原指具有电荷转移功能的元件，现在习惯将CCD当作图像传感器的代名词。

CCD电荷传输的原理，用一句话来说就是移动储存信号电荷的电势阱。无论是二相CCD、三相CCD还是四相CCD，都是通过移动电势阱来转移电荷的。图2.41以三相CCD为例说明电荷转移原理。图2.41

三相CCD电荷转移原理3.电荷的检测（输出）电荷的检测是将转移过来的信号电荷转换成电信号的过程，进行电荷检测的基本原理如图2.42所示。图2.42

CCD信号电荷检测原理电容器两端的电压变化信号电荷量电容器的电容4.不同CCD图像传感器在转移方式上的差异⑴帧转移方式图2.43

帧转移方式⑵行间转移方式图2.44

行间转移方式⑶帧行间转移方式图2.45

帧行间转移方式本章重点内容小结：⒈内光电效应的概念；⒉以光敏电阻为代表的光电导效应型光传感器的结构、工作原理及特性；⒊光电池、光敏二极管及光敏三极管的结构、工作原理、特性及电路分析；⒋掌握CCD图象传感器：电荷产生及储存、转移和检测的工作原理。第三章半导体温度传感器§3.1半导体温度传感器的物理基础§3.2半导体电阻式温度传感器§3.3半导体PN结型温度传感器§3.4半导体集成温度传感器

半导体材料的热敏效应，主要体现在温度对半导体材料电学性质的影响上，材料的禁带宽度、载流子浓度和载流子的迁移率是受温度影响较大的主要因素。⒈禁带宽度受温度的影响一般而言，随温度的升高，半导体材料的禁带宽度逐渐减小，基本的关系式为：§3.1半导体温度传感器的物理基础⒉载流子浓度ni受温度的影响以半导体材料的本征载流子浓度为例，二者之间的关系可以用下式来表示：

随着温度的升高，ni呈指数增大的趋势。⒊迁移率μ受温度的影响根据散射理论，载流子的迁移率受多种因素的影响，其中以电离杂质散射和晶格振动散射为主，二者均受温度的影响。

利用半导体材料的热敏效应，可以制作成各种各样的半导体温度传感器，在本章中我们主要学习半导体电阻式温度传感器（以半导体热敏电阻）、半导体pn结型温度传感器（温敏二极管、温敏三极管）以及集成温度传感器的常见实例。①电离杂质散射：②声学波散射：③光学波散射：几种散射同时存在时,有:

电阻式温度传感器主要包括热电阻（金属，如铂、铜电阻温度计等）和半导体热敏电阻。半导体热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-200～＋880℃）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。一、半导体热敏电阻的结构

热敏电阻结构通常采用金属氧化物材料利用特殊的陶瓷工艺，制成烧结体，外形及结构如图3.1所示。§3.2半导体电阻式温度传感器图3.1热敏电阻外形及结构示意图二、热敏电阻的工作原理

半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻随温度变化而变化的性质进行温度的检测。按热敏电阻的阻值与温度关系不同可分为：正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）。⒈PTC的工作原理(PositiveTemperatureCoefficient)

PTC热敏电阻通常采用钛酸盐（BaTiO3）系列材料（掺杂后），其特点是在某一温度Tc（居里点）附近，电阻率从负温度系数转变为正温度系数，且电阻率急剧增大3～7个数量级，可作温度开关使用，居里点可通过掺杂来控制。PTC热敏半导体具有多晶结构，各晶粒内部为半导电性区，晶界为高阻层区，外加电压时，电压大部分落在高阻的晶界层上，因而电子通过晶界的难易程度将对材料的导电性能起主要作用，可以利用晶界势垒模型来解释PTC材料的工作原理：

把晶界看成存在一个电子势垒，当温度在居里点以下时，高阻的晶界具有较大的介电常数，势垒高度很小，电子很容易越过势垒，材料的电阻率小；当温度高于居里点时，晶格的介电常数急剧减小，势垒随之急剧增高，因而电子难以越过势垒，相应材料的电阻率上升，表现出正温度系数。⒉NTC的工作原理(NegativeTemperatureCoefficient)

NTC热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物（主要用Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）在一定的烧结条件下形成半导体金属氧化物作为基体材料，它们常具有P型半导体的特性。在温度测量中，主要采用NTC材料。

工作原理：对于具有P型半导体性质的NTC材料，在室温范围内可看作已全部电离，载流子浓度基本与温度无关，主要考虑迁移率与温度的关系，而迁移率随着温度的升高逐渐增大，使材料的电阻率逐渐减小，表现为负的温度系数。⒊CTR热敏电阻(CriticalTemperatureResistor)

CTR热敏电阻可以看做是NTC的特例，可用V、Ba、Sr、P等氧化物混合烧结制成。该类电阻器的电阻值在某特定温度处随温度升高而急剧降低3～4个数量级，即具有很大负温度系数，这个急剧变化的温度我们称为骤变温度。CTR热敏电阻也可作为温度开关使用。

CTR热敏电阻的温度变化时，氧化物的晶格结构和组份常常有很大的变化，使其电阻率有大幅度的降低。⒈热敏电阻的温度特性（RT—T）

12340601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC图3.2

热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；

3-PTC三、热敏电阻器主要特性⑴正电阻温度系数（PTC）热敏电阻的温度特性：其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如下图。10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2Ω图3.2PTC热敏电阻器的电阻—温度曲线T/ºC电阻/ΩTp1Tp2Tc=175º