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半导体霍尔传感器
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压阻效应 跳转到导航跳转到搜索 这篇文章包含了一个一般参考文献列表,但缺乏足够的相应内联引用。请通过引入更精确的引文来帮助改进这篇文章。(2013年3月)(了解如何以及何时删除此模板消息) 压阻效应是半导体或金属在施加机械应变时电阻率的变化。与压电效应相反,压阻效应只引起电阻的变化,而不引起电势的变化。 目录 1历史 2机制 2.1金属中的压阻率 2.2块体半导体中的压阻效应 2.3金属硅混合结构中的巨大压阻 2.4硅纳米结构中的巨大压阻效应 3压阻硅器件 3.1压敏电阻器 3.1.1制造 3.1.2运行物理 3.2其他压阻装置 4另见 5个参考文献 历史 1856年,开尔文勋爵首次发现了金属器件中由于施加机械负载而产生的电阻变化。随着单晶硅成为模拟和数字电路设计的首选材料,硅和锗中的大压阻效应首次在1954年被发现(Smith 1954)。[1] 机械装置 在导电和半导电材料中,应变引起的原子间距变化会影响带隙,使电子更容易(或更难,取决于材料和应变)上升到导带中。这会导致材料的电阻率发生变化。在一定的应变范围内,这种关系是线性的,因此压阻系数 {\displaystyle\rho{\sigma}={\frac{\left({\frac{\partial\rho}{\rho}\right)}{\varepsilon}}}\rho{\sigma}={\frac{\left({\frac{\partial\rho}{\rho}\right)}{\varepsilon} 哪里 ∂ρ=电阻率的变化 ρ=原始电阻率 ε=应变 这是不变的。 金属的压阻率 通常,金属的电阻变化主要是由于施加机械应力导致的几何形状变化。然而,即使压阻效应在这些情况下很小,它通常也不可忽略。在这种情况下,可以使用从欧姆定律导出的简单电阻方程来计算; {\displaystyle R=\rho{\frac{\ell}{A}\,}R=\rho{\frac{\ell}{A}\, 哪里 {\displaystyle\ell}\ell导体长度[m] A电流的横截面积[m²][2]: p、 207  有些金属显示的压阻率远远大于由于几何结构引起的电阻变化。例如,在铂合金中,压阻率比几何效应大两倍多,结合几何效应,应变计灵敏度高达几何效应的三倍以上。纯镍的压阻率是-13倍大,完全相形见绌,甚至逆转了几何诱导电阻变化的迹象。 体半导体中的压阻效应 半导体材料的压阻效应比几何效应大几个数量级,存在于锗、多晶硅、非晶硅、碳化硅和单晶硅等材料中。因此,可以制造具有极高灵敏度系数的半导体应变计。对于精密测量,它们比金属应变计更难处理,因为半导体应变计通常对环境条件(尤其是温度)敏感。 对于硅,规范因子可能比在大多数金属中观察到的要大两个数量级(Smith 1954)。n-导电硅的电阻主要由于三个不同的导电谷对的移动而改变。这种移动会导致载波在具有不同流动性的山谷之间重新分布。这会导致不同的流动性取决于电流的方向。较小的影响是由于与山谷形状变化相关的有效质量变化。在p型导电硅中,这种现象更为复杂,还会导致质量变化和空穴转移。 金属硅混合结构中的巨大压阻 报道了一种微加工硅铝混合结构的巨大压阻效应——压阻系数超过体积值。[3] 这种效应已应用于硅基传感器技术。[4] 硅纳米结构中的巨压阻效应 自上而下制备的硅纳米线的纵向压阻系数比体硅大60%。[5] [6]2006年,在自下而上制作的硅纳米线中报告了巨大的压阻[7]——与体硅相比,纵向压阻系数增加了>30。纳米结构中的巨大压阻效应纳米结构中存在巨大压阻效应的建议,不仅在硅[8][9][10][11][12][13][14]中,而且在其他功能材料中,激发了人们对这种效应的物理理解。[15] 压阻硅器件 半导体的压阻效应已被用于使用各种半导体材料(如锗、多晶硅、非晶硅和单晶硅)的传感器设备。由于硅是当今集成数字和模拟电路的首选材料,压阻硅器件的使用一直备受关注。它使应力传感器与双极和CMOS电路易于集成。 这使得许多产品能够使用压阻效应。许多商业设备,如压力传感器和加速度传感器,都采用了硅中的压阻效应。但是,由于硅中的压阻效应的大小,它也吸引了使用单晶硅的所有其他设备的研发关注。例如,半导体霍尔传感器只有在采用消除因施加的机械应力而产生的信号贡献的方法后,才能实现其当前精度。 压敏电阻 压阻电阻器是由压阻材料制成的电阻器,通常用于测量机械应力。它们是压阻器件的最简单形式。 制作 压阻电阻器可以使用多种压阻材料制造。压阻式硅传感器最简单的形式是扩散电阻。压阻器由一个简单的两个接触扩散的n或p阱组成,位于一个p或n衬底内。由于这些器件的典型方形电阻在几百欧姆的范围内,额外的p+或n+扩散是促进器件欧姆接触的潜在方法。 压敏电阻。jpg 硅n阱压阻器基本元件的横截面示意图。 操作物理学 对于MPa范围内的典型应力值,沿电阻器Vr的应力相关压降可视为线性。如图所示,与x轴对齐的压敏电阻器可由以下公式描述: {\displaystyle\V{r}=r{0}I[1+\pi{L}\sigma{xx}+\pi{T}(\sigma{yy}+\sigma{zz})}\V{r}=r{0}I[1+\pi{L}\pi T}(\sigma{yy}+\sigma{zz})}] 其中{\displaystyle R{0}}R{0},I,{\displaystyle\pi{T}\pi{T},{\displaystyle\pi{L}\pi{L}和{\displaystyle\sigma{ij}\sigma{ij}分别表示无应力电阻、外加电流、横向和纵向压阻系数以及三个应力分量。压阻系数随传感器相对于晶体轴线的取向和掺杂分布而显著变化。尽管简单电阻器的应力灵敏度相当大,但它们最好用于更复杂的配置中,以消除某些交叉灵敏度和缺点。压阻电阻器的缺点是对温度变化高度敏感,同时具有相对较小的应力相关信号振幅变化。 其他压阻器件 在硅中,压阻效应用于压阻器、传感器、压电FET、固态加速度计和双极晶体管。
 
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