Z元件特性研究论文.docx

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1、第 1 页 Z 元件特性研究论文 特征码 dBpcVkSzkISuuprKiUIU 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

2、第 2 页 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 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

3、。 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态上进行了深 入的扩展研究，形成了一些新型的敏感元件。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。 第 3 页 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

4、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 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。 第 4 页 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 P

5、N 结，即在高阻 硅材料上形成的 PN 结，又经过重金属补偿，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-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

6、， 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-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 第 5 页 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

7、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-.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

8、-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 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 第 6 页 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

9、-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

10、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 第 7 页 工艺流程中金扩的浓度。研制实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

11、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 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。 第 8 页

12、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

13、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，为传感器进一步智能化 和网络化提供了方便。 第 9 页 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

14、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：“

15、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 第 10 页 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。 3力敏 Z-元件的电路结构 力敏 Z-元件的应用电路十

16、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，电路的结构特征是：力敏 Z-元件与 负载电阻相串联，负载电阻 RL 用于限制工作电流，并取出输出 信号。Z-元件应用开发的基本工作原理就在于通过半导体结构 内部导电管道的力调变效应，使工作电流发生变化，从而改变 Z-元件与负载电阻 RL 之间的压降分配，获得不同波形的输出信 号。 第 11 页 （1）力敏 Z-元件的开关量输出

17、在图 7(a)所示的电路中，通过 E 和 RL 设定工作点 Q，如图 6c所示。若工作点选择在 M1 区时，力敏 Z-元件处于小电 流的高阻工作状态，输出电压为低电平。由于力敏 Z-元件的阈 值电压 Vth 对力载荷 F 具有很高的灵敏度，当力载荷 F 增加时， 阈值点 P 向左推移，使 Vth 减小，当力载荷 F 增加到某一阈值 Fth 时，力敏 Z-元件上的电压 VZ 恰好满足状态转换条件1， 即 VZ=Vth，力敏 Z-元件将从 M1 区跳变到 M3 区，处于大电流的 低阻工作状态，输出电压为高电平。在 RL 上可得到从低电平到 高电平的上跳变开关量输出，如图 8(a)所示。如果在图 7

18、(a)所 示电路中，把力敏 Z-元件与负载电阻 RL 互换位置，则可得到 由高电平到低电平的下跳变开关量输出，如图 8(b)所示。无论 是上跳变或下跳变开关量输出，VO 的跳变幅值均可达到电源电 压 E 的 4050%。 开关量输出的力敏 Z-元件可用作力敏开关、力报警器或力控制 器。 （2）力敏 Z-元件的脉冲频率输出 第 12 页 由于力敏 Z-元件的伏安特性随外部激励改变而改变，只要满足 状态转换条件，就可实现力敏 Z-元件工作状态的转换。如果满 足状态转换条件，实现 Z-元件工作状态的一次性转换，负载电 阻 RL 上可输出开关信号；同理，如果满足状态转换条件，设法 实现力敏 Z-元件工

19、作状态的周期性转换，则负载电阻 RL 上就 可输出脉冲频率信号。 脉冲频率输出电路如图 7(b)所示。在图 7(b)电路中，力敏 Z- 元件与电容器 C 并联。由于力敏 Z-元件具有负阻效应，且有两 个工作状态，当并联以电容后，通过 RC 充放电作用，构成 RC 振荡回路，因此在输出端可得到与力载荷成比例变化的脉冲频 率信号输出。其输出波形如图 9(a)所示。输出频率的大小与 E、RL、C 取值有关，也与力敏 Z-元件的阈值电压 Vth 值有关。 当 E、RL、C 参数确定后，输出频率仅与 Vth 有关，而 Vth 对力 作用很敏感，可得到较高的力灵敏度。初步测试结果表明：电 容器 C 选择范

20、围在 0.011.0mF，负载电阻在 520kW，较为合适。 同理，若把力敏 Z-元件（连同辅助电容器 C）与负载电阻 RL 互 换位置，其输出频率仍与力载荷成比例，波形虽为锯齿波，但 与图 9a完全不同，如图 9(b)所示。 第 13 页 4力敏 Z-元件的机械结构与施力方式 力敏 Z-元件芯片体积很小，施加外力载荷时，必须通过某种弹 性体作为依托。当力载荷作用于弹性体时，使芯片内部产生内 应力，此内应力可改变力敏 Z-元件的工作状态（从低阻态到高 阻态，或者从高阻态到低阻态） ，从而使输出端产生开关量输出 或脉冲频率输出。作为弹性体可以采用条形或园形膜片，材质 可以是磷铜、合金钢或其它弹性

21、材料。无论采用哪种弹性体， 力敏 Z-元件的受力方式目前理论上可归结为两种基本结构：即 悬臂式结构和简支式结构，其示意图如图 10 所示。为便于研究 力敏 Z-元件受力后的应力应变特征，结构放大示意如图 11 所 示。 如前所述，Z-元件在外加电场作用下，在 N 区可产生“导电管 道” ，该导电管道在外部激励作用下，可产生“管道调变效应2， 由图 11 可知，对力敏 Z-元件来说，其 P 区很薄，N 区相对较厚， 第 14 页 焊接层的厚度可忽略不计，因而，在力载荷作用下的管道调变 效应必将发生在 N 区。当力载荷作为一种外部激励作用于弹性 体时，使弹性体产生一定的挠度，在半导体晶格内部产生内

22、应 力，导电管道受到力调变作用，使 N 区电阻发生变化，改变了 力敏 Z-元件的伏安特性，使阈值点 P 产生偏移，阈值电压 Vth 将发生变化。 实验表明，由于封装结构和受力方式的不同，可产生如图 12 和 图 13 所示两种方式的应力应变。若静态工作点 Q 设置在 M3 区， 施加的力载荷使 N 区产生“压”应力，N 区晶格被压缩，导电 管道变“细” ，正偏使用时电阻值将增加，因伏安特性的改变使 阈值点 P 右移，Vth 增加。当力载荷 F 增加到某一特定阈值 Fth 时，阈值点 P 向右移至负载线的右侧，力敏 Z-元件将从低阻 M3 区跳变到高阻 M1 区，如图 12 所示。 同理，若静态

23、工作点 Q 设置在 M1 区，施加的力载荷使 N 区产生 “拉”应力，N 区晶格被拉伸，导电管道变“粗” ，正偏使用时 电阻值将减小，因伏安特性的变化使阈值点 P 左移，Vth 减小。 当力载荷 F 增加到某一特定阈值 Fth 时，阈值点 P 左移至负载 线上，力敏 Z-元件将从高阻 M1 区跳变到低阻 M3 区，如图 13 所示。 第 15 页 上述分析可知，力敏 Z-元件在不同封装结构和不同受力方式下， 可产生工作状态的转换，可按设计需要输出不同的跳变信号， 可用作力敏开关、力报警器或力控制器。在实际应用中，可通 过电源电压 E 或负载电阻 RL 来设定力载荷的阈值 Fth ，但由 于跳变

24、阈值与力敏 Z-元件的制造工艺、芯片尺寸、封装结构、 弹性体材质与厚度、受力点的位置等诸多因素有关，许多问题 尚需进一步研究与探讨。 力敏 Z-元件具有 M2 区的负阻特性，并具有两个稳定的工作状 态是脉冲频率输出的基础。借助辅助电容器 C，按图 7(b)所示 电路，通过 RC 的充放电作用，可实现力敏 Z-元件工作状态的 周而复始的转换，采用图 12a、b或图 13a、b 的结构和受力方式，都可输出脉冲频率信号，输出频率与力载 荷成比例，其输出波形如图 9(a) 或图 9(b)所示，分析从略。 作为设计实例，力敏 Z-元件样件 1#与样件 2#，经加载与卸载 实验，其脉冲频率输出的测试结果如

25、下，供分析研究参考： 力 敏 Z-元件特征参数: Vth=10V, Ith=1mA, Vf=4.5V (测试条件: T=25, RL=5kW) 芯片尺寸：250.3mm，采用简支式结构，两支点距离为 第 16 页 10mm；中间受力，应力应变方式为 N 区受压应力；条状 P 铜弹 性体，厚度为 0.2mm；试验环境温度为 25.4。测试数据如表 2 所示。 ，样件 2#加载所测数据，经计算机绘图可得回归线如图 14 所示。由于封装结构尚未定型测试数据有一定误差，但初步实 验表明，在这种施力方式下，输出频率 f 与力载荷成正比，在 一定施力范围内近似呈线性关系，且回差较小。随力载荷量程 加大，非

26、线性度要增加。回归处理后，力的平均频率灵敏度 SF 为： Hz/g 约每 10g 改变 1Hz。力灵敏度和回差是力敏 Z-元件的重要技术 指标。需要指出的是：灵敏度和回差与力敏 Z-元件的特征参数、 形状与尺寸、弹性体材质与厚度、封装结构以及受力方式等诸 多因素有关。许多问题也需进一步研究与探讨。需按用户需求 进行结构定型与标准化生产。 四、新型 V/F 转换器 1概述 第 17 页 目前正在研制或在线使用的各种传统传感器，因只能输出模拟 电压或模拟电流信号，应称为模拟传感器。模拟传感器是模拟 仪表或模拟信讯时代的产物，主要缺点是输出幅值小，灵敏度 低，不能与数字计算机直接通讯。人类进入数字信

27、息化时代后， 以数字技术支撑的数字计算机已十分普及，现代数字计算机要 求处理数字信号，而模拟传感器因受材料、器件的限制，仍只 能输出低幅值的模拟信号，不能与计算机直接通讯，已成为制 约信息产业发展的瓶颈问题。为了使模拟传感器能与计算机实 现通讯，目前是采取把输出信号进行放大再加以 A/D 转换，即 把现行的模拟传感器加以数字化的方法来与数字计算机相适应。 虽然在信息采集与处理过程中电路复杂，硬件成本增加，但由 于目前能直接输出数字信号的数字传感器为数不多，这种模拟 传感器数字化的方法仍发挥着巨大的作用。 本部分利用 Z-元件构成一种新型的 V/F 转换器，它能把模拟传 感器输出的电压信号变成能

28、被数字计算机识别的频率信号，提 供了一种模拟传感器数字化的新方法。该方法与采用 A/D 转换 器方案相比，具有电路简单、成本低、体积小、输出幅值大、 灵敏度高、输出线性度好、能与计算机直接通讯等一系列优点， 可做为模拟传感器与计算机之间的重要接口，在信息产业中具 第 18 页 有广泛的应用前景。 2电路组成与工作原理 Z-元件是一种新型的半导体开关元件，当其两端电压达到一定 阈值(即阈值电压 Vth)时，可从高阻状态跳变到低阻状态；而 当其两端电压小于一定阈值(即导通电压 Vf)时，又可从低阻状 态跳变到高阻状态。利用这一特性可方便地开发 V/F 转换器。 由 Z-元件构成的 V/F 转换器如

29、图 15(a)所示，图 15(b)为其中 Z-元件的电路符号。在图 15(a)所示电路中以电压 E 为输入， 由于 RL、C 和 Z-元件之间的充、放电作用，使电路始终处于自 激振荡状态，其振荡频率 f 与输入电压 E 成正比，波形为锯齿 波，其输出幅值可以很大，由选定的 Z-元件参数而定。实现了 模拟信号(电压 E)到数字信号(频率 f)的转换，可用于数字系统 的触发。由于输出幅值大，它不需放大就可实现与计算机的直 接通讯。 3V/F 转换器的传输特性 当基准温度 TS=20时，输入电压 E 与输出频率 f 之间的传输 特性如图 16 所示。由图 16 可知该传输特性具有良好的线性关 第 1

30、9 页 系，其中 EminEmax(相应于 MN 区间)是工作电压的极限范围， AB 区间为可靠的工作量程范围，它决定于模拟传感器的输出和 V/F 转换电路的参数设计。 由于 Z-元件是半导体开关元件，构成 V/F 转换器时，对温度也 具有一定的灵敏度，即温度漂移。该温度漂移具有正温度系数， 一般小于 10HzC，当环境温度变化较大时，将引起检测误 差。 如果该误差在允许范围内，可不做温度补偿。如果要求检测精 度较高，特别是在高精度计量使用时，应考虑温度补偿技术。 由温漂引起的相对误差与输出频率范围(即量程)有关。若输出 频率较高，相对误差较小，若输出频率较低，则相对误差较大。 如果假定环境温

31、度有10的变化，引起输出频率变化的绝对 误差为 Df=100Hz，按全量程输出频率的平均值为 f=2000Hz 设 计，这时由温漂引起的相对误差 d=0.5%/，可满足一般计 量精度要求。为进一步提高计量精度，必须采取温度补偿技术 4。 参考文献： 第 20 页 1. 傅云鹏等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(1)Z-元件及其 应用开发综述，传感器世界，20XX2 2. 周长恩等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(2)Z-元件的研 制实践与工作机理的定性分析，传感器世界，20XX4 3. 王健林等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(3)温敏 Z-元 件及其应用，传感器世界，20XX6 4. 傅云鹏等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(5)Z-元件的温 度补偿技术，传感器世界，20XX10 The Revie