半导体传感器大题

第二章：光敏电阻的工作原理：当光照射到光敏电阻上时，若光敏电阻为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，则材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴数目增加，致使光敏材料的电导率变大。影响因素:①在暗处放置的时间长短；②光照的强弱；③负载的影响。光敏晶体管（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，基区留下光生空穴，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，光电三极管导通。由于大量的电子流向集电极，形成集电极电流IC为光电流IL的R倍，具有电流放大作用。CCD的工作过程：首先由光学系统将被测物体成象在CCD的受光面上，受光面下的光敏单元形成了许多像素点，这些像素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信号控制下，将反映光象的被存储的电荷信号读取并顺序输出，从而完成了从光图象到电信号的转化过程。CCD原理：光生电荷的产生、储存、转移：MOS结构进入反型状态后，反型层下是载流子浓度很低的耗尽区。当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对。这时在栅极电压的作用下，其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。如果栅极电压持续时间不是很长，则在各个MOS电容器的电子势阱中蓄积的电荷量取决于照射到该点的光强。因此，每个MOS电容器电子势阱中蓄积的电荷量，可作为照射到该点的光强的度量。少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷传输第三章：热敏电阻工作原理:PTC热敏电阻:PTC热敏电阻通常采用钛酸钡（BaTiO3）系列材料，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，故称为PTC热敏半导体，居里点可通过掺杂来控制。NTC热敏电阻：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。正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性：曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故，符合欧姆定律如oa段。当电压升高使热敏电阻器温度超过环境温度时，由于PTC效应材料电阻值逐渐增大，曲线开始弯曲斜率增大，如ab段。当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im；如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加的速度超过电压增加的速度，使流过热敏电阻的电流反而减小，即曲线斜率由正变负，如bc段。NTC热敏电阻的伏安特性曲线可以这样理解:在开始oa段与普通电阻一样服从欧姆定律，表现为直线；随着电流增加，引起热敏电阻自热温升超过环境温度，热敏电阻的阻值下降，耗散功率增加，相应电压变化的较为缓慢，因此出现非线性正阻区ab段；当电流继续增加，其电压值达到最大Um时，若电流继续增加，热敏电阻自身加温剧烈，使电阻值减小的速度超过电流增加速度，因此热敏电阻的电压降随电流的增加反而降低，形成bcd段的负阻区。而当电流超过某一允许值时，热敏电阻将被烧坏。第四章：不等位电势VM和寄生直流电势VoD：霍耳元件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时霍耳电极间的开路电势差，称为不等位电势VM。在不加外磁场情况下，霍耳元件通过交流控制电流，在霍耳电极上也会有直流电势，称为寄生直流电势VoD。二者差别：①产生原因不同:不等位电势是由于元件的几何形状或电极位置不对称以及材料的不均匀而造成的，寄生直流电势则是由于电极的整流接触而造成的；②对霍耳电势的影响不同：不等位电势的方向随控制电流方向改变而改变，但数值不变，它能增强或削弱霍耳电压；而寄生直流电势与电流的流向无关，它也不影响霍耳电势的测量。磁敏二极管的工作原理:当存在磁场时，由于受洛仑兹力的影响，载流子的偏转使高复合区对电流产生影响。而载流子运动轨迹的改变和行程的增加，取决于洛仑兹力的大小，而洛仑兹力的大小又与电场和磁场乘积成正比，由此可见，随着磁场方向和大小的变化，若固定正向偏压则可产生正向电流的变化。磁敏三极管的工作原理：当磁场B的方向和大小改变时，集电极电流Ic也会随之发生不同的改变。第五章：G称为材料的应变计因子或材料的灵敏系数:其物理意义为材料发生单位应变时的电阻变化率。G由两部分组成：前一部分是（1+2U），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属Ue0.3，因此（1+2U）^1.6；后一部分为nE，由材料受力后电阻率随应变发生变化引起（称“压阻效应”）对金属材料，电阻率基本与应力无关，以前者为主，则Ge1+2U；对半导体，G值主要由电阻率相对变化所决定，以后者为主，灵敏系数比金属大很多，一般在70〜170之间。第六章表面电阻控制型气敏传感器的工作原理:㈠表面电导理论：表面电阻控制型元件的表面电阻会根据待测气体种类及浓度的不同增大或减小。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。吸附分子和材料表面层交换电子而带上不同的电荷成为正离子或负离子，同时影响半导体材料表面层的性质。㈡晶界势垒模型：当n型的SnO2材料表面吸附氧分子时，形成负离子吸附的结果使晶粒表面形成空间电荷层，表面能带上弯，晶界势垒高度大大增加，材料表面形成高阻状态。当与还原性气体接触时（如H2），与吸附的氧发生反应，同时释放电子，降低了晶界势垒的高度，从而使材料表面电阻率降低。该模型较好的解释了气敏传感器在还原性气体中电阻率下降的规律。表面电导规则总结：氧化型气体+N型半导体：载流子数下降，电阻增加。还原型气体+N型半导体：载流子数增加，电阻减小。氧化型气体+P型半导体：载流子数增加，电阻减小。还原型气体+P型半导体：载流子数下降，电阻增加。体电阻控制型气敏传感器（一）Fe2O3烧结型气体传感器工作原理:体电阻控制型气敏材料大多是非化学计量比组成，在与被测气