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Z-元件特性與應用的擴展
摘要：Z-元件具有進一步的開發(fā)潛力，擴充其特性和應用可形成一些新型電子器件。本文在溫、光、磁敏Z-元件的基礎上，依據(jù)對Z-元件工作機理的深入探討，開發(fā)出一些新型的半導體敏感元件，如摻金γ-硅熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉換器。本文著重介紹了這些新型敏感元件的電路結構與工作原理。這些新型敏感元件都具有生產(chǎn)工藝簡單、體積小、成本低等特點。關鍵詞：熱敏電阻，摻金γ-硅熱敏電阻，Z-元件，力敏Z-元件，V/F轉換器
一、前言
Z-半導體敏感元件﹙簡稱Z-元件﹚性能奇特，應用電路簡單而且規(guī)范，使用組態(tài)靈活，應用開發(fā)潛力大。它包括Z-元件在內僅用兩個﹙或3個﹚元器件，就可構成電路最簡單的三端傳感器，實現(xiàn)多種用途。特別是其中的三端數(shù)字傳感器，已引起許多用戶的關注。
Z-元件現(xiàn)有溫、光、磁，以及正在開發(fā)中的力敏四個品種，都能以不同的電路組態(tài)，分別輸出開關、模擬或脈沖頻率信號，相應構成不同品種的三端傳感器。其中，僅以溫敏Z-元件為例，就可以組合出12種電路結構，輸出12種波形，實現(xiàn)6種基本應用[3]。再考慮到其它光、磁或力敏Z-元件幾個品種，其可供開發(fā)的擴展空間將十分可觀。為了拓寬Z-元件的應用領域，很有從深度上和廣度上進一步研究的價值。
本文在前述溫、光、磁敏Z-元件的基礎上，結合生產(chǎn)工藝和應用開發(fā)實踐，在半導體工作機理上和電路應用組態(tài)上進行了深入的擴展研究，形成了一些新型的敏感元件。作為其中的部分實例，本文重點介紹了摻金g-硅新型熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉換器，供用戶分析研究與應用開發(fā)參考。這些新型敏感元件都具有體積小、生產(chǎn)工藝簡單、成本低、使用方便等特點。
二、摻金g-硅新型熱敏電阻
1．概述
用g-硅單晶制造半導體器件是不多見的，特別是用原本制造Z-元件這樣的高阻g-硅單晶來制造Z-元件以外的半導體器件，目前尚未見到報導。Z-元件的特殊性能，主要是由摻金高阻g-硅區(qū)﹙也就是n-i區(qū)﹚的特性所決定的，對摻金高阻g-硅的性能進行深入地研究希望引起半導體器件工作者的高度重視。
本部分從對摻金g-硅的特性深入研究入手，開發(fā)出一種新型的熱敏元件，即摻金g-硅熱敏電阻。介紹了該新型熱敏電阻的工作原理、技術特性和應用特點。
2．摻金g-硅熱敏電阻的工作機理“摻金g-硅熱敏電阻”簡稱摻金硅熱敏電阻，它是在深入研究Z-元件微觀工作機理的基礎上，按新的結構和新的生產(chǎn)工藝設計制造的，在溫度檢測與控制領域提供了一種新型的溫敏元件。
為了熟悉并正確使用這種新型溫敏元件，必須首先了解它的工作機理。Z-元件是其N區(qū)被重摻雜補償?shù)母男訮N結，即在高阻硅材料上形成的PN結，又經(jīng)過重金屬補償，因而它具有特殊的半導體結構和特殊的伏安特性。圖1為Z-元件的正向伏安特性曲線，圖2為Z-元件的半導體結構示意圖。
由圖1可知，Z-元件具有一條“L”型伏安特性[1]，該特性可分成三個工作區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負阻區(qū)，M3低阻區(qū)。其中，高阻的M1區(qū)對溫度具有較高的靈敏度，自然成為研制摻金g-硅熱敏電阻的主要著眼點。
從圖2可知，Z-元件的結構依次是：金屬電極層—P+歐姆接觸區(qū)—P型擴散區(qū)—P-N結結面—低摻雜高補償N區(qū)，即n-.i區(qū)—n+歐姆接觸區(qū)—金層電極層。可見Z-元件是一種改性PN結，它具有由p+-p-n-.i-n+構成的四層結構，其中核心部位是N型高阻硅區(qū)n-.i，特稱為摻金g-硅區(qū)。摻金g-硅區(qū)的建立為摻金g-硅熱敏電阻奠定了物理基礎。
Z-元件在正偏下的導電機理是基于一種“管道擊穿”和“管道雪崩擊穿”的模型[2]。Z-元件是一種PN結，對圖2所示的Z-元件結構可按P-N結經(jīng)典理論加以分析，因而在p-n-.i兩區(qū)中也應存在一個自建電場區(qū)。該電場區(qū)因在P區(qū)很薄，自建電場區(qū)主要體現(xiàn)在n-.i區(qū)，且?guī)缀跽紦?jù)了全部n-.i型區(qū)，這樣寬的電場區(qū)其場強是很弱的，使得Z-元件呈現(xiàn)了高阻特性。如果給Z-元件施加正向偏壓，這時因正向偏壓的電場方向同Z-元件內部自建電場方向是相反的，很小的正向偏壓便抵消了自建電場。這時按經(jīng)典的PN結理論分析，本應進入正向導通狀態(tài)，但由于Z-元件又是一種改性的PN結，其n-.i型區(qū)是經(jīng)重金屬摻雜的高補償區(qū)，由于載流子被重金屬陷阱所束縛，其電阻值在兆歐量級，其正向電流很小，表現(xiàn)在“L”曲線是線性電阻區(qū)即“M1”區(qū)。這時，如果存在溫度場，由于熱激發(fā)的作用使重金屬陷阱中釋放的載流子不斷增加，并參與導電，必然具有較高的溫度靈敏度。在M1區(qū)尚末形成導電管道，如果施加的正向偏壓過大，將產(chǎn)生“管道擊穿”，甚至“管道雪崩擊穿”，將破壞了摻金g-硅新型熱敏電阻的熱阻特性，這是該熱敏電阻的特殊問題。
在這一理論模型的指導下，不難想到，如果將Z-元件的n-.i區(qū)單獨制造出來，肯定是一個高靈敏度的熱敏電阻（由于半導體伴生著光效應，當然也是一個光敏感電阻），由此可構造出摻金g-硅新型熱敏電阻的基本結構，如圖3所示。由于摻金g-硅新型熱敏電阻不存在PN結，其中n-.i層就是摻金g-硅，它并不是Z-元件的n-.i區(qū)。測試結果表明，該結構的電特性就是一個熱敏電阻。該熱敏電阻具有NTC特性，它與現(xiàn)行NTC熱敏電阻相比，具有較高的溫度靈敏度。
3．摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝
摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝流程如圖4工藝框圖所示�？梢钥闯�，該生產(chǎn)工藝過程與Z-元件生產(chǎn)工藝的最大區(qū)別，就是不做P區(qū)擴散，所以它不是改性PN結，又與現(xiàn)行NTC熱敏電阻的生產(chǎn)工藝完全不同，這種摻金g-硅新型熱敏電阻使用的特殊材料和特殊工藝決定了它的性能與現(xiàn)行NTC熱敏感電阻相比具有很大區(qū)別，其性能各有優(yōu)缺點。
4．摻金g-硅熱敏電阻與NTC熱敏電阻的性能對比
從上述結構模型和工藝過程分析可知，摻金g-硅層是由金擴入而形成的高補償?shù)腘型半導體，不存在PN結的結區(qū)。它的導電機理就是在外電場作用下未被重金屬補償?shù)氖Ｓ嗟氖┲麟娮訁⑴c導電以及在外部熱作用下使金陷阱中的電子又被激活而參與導電，而呈現(xiàn)的電阻特性。由于原材料是高阻g-硅，原本施主濃度就很低，又被陷阱捕獲一些，剩余電子也就很少很少。參與導電的電子主要是陷阱中被熱激活的電子占絕對份額。也就是說，摻金g-硅熱敏電阻在一定的溫度下的電阻值，是決定于工藝流程中金擴的濃度。研制實踐中也證明了這一理論分析。不同的金擴濃度可以得到幾千歐姆到幾兆歐姆的電阻值。金擴散成為產(chǎn)品質量與性能控制的關健工序。
我們認為，由于摻金g-硅熱敏電阻的導電機理與現(xiàn)行的NTC熱敏電阻的導電機理完全不同，所以特性差別很大，也存在各自不同的優(yōu)缺點。摻金g-硅熱敏電阻的優(yōu)點是：生產(chǎn)工藝簡單，成本低，易于大批量生產(chǎn)，阻值范圍寬（從幾千歐姆到幾兆歐姆），靈敏度高，特別是低于室溫的低溫區(qū)段比NTC熱敏電阻要高近一個量級。其缺點是：一批產(chǎn)品中電阻值的一致性較差、線性度不如NTC，使用電壓有閾值限制，超過閾值時會出現(xiàn)負阻。摻金g-硅新型熱敏電阻與NTC熱敏電阻的電阻溫度靈敏度特性對比如圖5所示。
在不同溫度下，溫度靈敏度的實測值對比如表1所示。
摻金g-硅熱敏電阻是一種新型溫敏元件。本文雖作了較詳細的工作機理分析，但現(xiàn)在工藝尚未完全成熟，愿與用戶合作，共同探討，通過工藝改進與提高，使這一新型元件早日成熟，推向市場，為用戶服務。
表1 不同溫度下溫度靈敏度實測值對比(kΩ/°C)
°C
0#
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
9.5
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
5.1
9.3
9.1
9.9
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
5.2
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
49.5
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
0.6
0.6
0.5
0.7
0.7
74.5
0.7
0.5
0.5
0.5
0.43
0.6
0.6
86.0
0.3
0.2
0.2
0.2
0.2
0.3
0.3
注：表1中0#樣件為NTC熱敏電阻，1#-6#樣件為摻金g-硅熱敏電阻。
三、力敏Z-元件
1．概述
“力”參數(shù)的檢測與控制在國民經(jīng)濟中占有重要地位。力敏元件及其相應的力傳感器可直接測力，通過力也可間接檢測許多其它物理參數(shù)，如重量，壓力、氣壓、差壓、流量、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、扭矩、振動等，在機械制造、機器人、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、工程地質、機電一體化產(chǎn)品以及其它國民經(jīng)濟裝備領域中，具有廣泛的用途。
在力參數(shù)的檢測與控制領域中，現(xiàn)行的各種力敏元件或力傳感器，包括電阻應變片、擴散硅應變片、擴散硅力傳感器等，嚴格說，應稱為模擬力傳感器。它只能輸出模擬信號，輸出幅值小，靈敏度低是它的嚴重不足。這三種力敏元件或力傳感器，為了與數(shù)字計算機相適應，用戶不得不采取附加的數(shù)字化方法（即加以放大和A/D轉換）才能與數(shù)字計算機相連接，使用極其不便，也增加了系統(tǒng)的成本。
Z-元件能以極其簡單的電路結構直接輸出數(shù)字信號，非常適合研制新型數(shù)字傳感器[1]，其中也包括力數(shù)字傳感器。這種力數(shù)字傳感器輸出的數(shù)字信號（包括開關信號和脈沖頻率信號），不需A/D轉換，就可與計算機直接通訊，為傳感器進一步智能化和網(wǎng)絡化提供了方便。
我們在深入研究Z-元件工作機理的基礎上，初步研制成功力敏Z-元件，但目前尚不成熟，歡迎試用與合作開發(fā)這一新器件，實現(xiàn)力檢測與控制領域的技術創(chuàng)新。
2．力敏Z-元件的伏安特性
如前所述，力敏Z-元件也是一種其N區(qū)被重摻雜補償?shù)母男訮N結。力敏Z-元件的半導體結構如圖6(a)所示。按本企業(yè)標準電路符號如圖6(b)所示，圖中“+”號表示PN結P區(qū)，即在正偏使用時接電源正極。圖6(c)為正向“L”型伏安特性，與其它Z-元件一樣該特性也分成三個工作區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負阻區(qū)，M3低阻區(qū)。描述這個特性有四個特征參數(shù)：Vth為閾值電壓，Ith為閾值電流，Vf為導通電壓， If為導通電流。
M1區(qū)動態(tài)電阻很大，M3區(qū)動態(tài)電阻很小（近于零），從M1區(qū)到M3區(qū)的轉換時間很短（微秒級）， Z-元件具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：“高阻態(tài)”和“低阻態(tài)”，工作的初始狀態(tài)可按需要設定。若靜態(tài)工作點設定在M1區(qū)，Z-元件處于穩(wěn)定的高阻狀態(tài)，作為開關元件在電路中相當于“阻斷”。若靜態(tài)工作點設定在M3區(qū)，Z-元件將處于穩(wěn)定的低阻狀態(tài)，作為開關元件在電路中相當于“導通”。在正向伏安特性上P點是一個特別值得關注的點，特稱為閥值點，其坐標為：P(Vth，Ith)。P點對外部力作用十分敏感，其靈敏度要比伏安特性上其它諸點要高許多。利用這一性質，可通過力作用，促成工作狀態(tài)的一次性轉換或周而復始地轉換，就可分別輸出開關信號或脈沖頻率信號。
3．力敏Z-元件的電路結構
在圖7所示的應用電路中，電路的結構特征是：力敏Z-元件與負載電阻相串聯(lián)，負載電阻RL用于限制工作電流，并取出輸出信號。Z-元件應用開發(fā)的基本工作原理就在于通過半導體結構內部導電管道的力調變效應，使工作電流發(fā)生變化，從而改變Z-元件與負載電阻RL之間的壓降分配，獲得不同波形的輸出信號。
（1）力敏Z-元件的開關量輸出
在圖7(a)所示的電路中，通過E和RL設定工作點Q，如圖6﹙c﹚所示。若工作點選擇在M1區(qū)時，力敏Z-元件處于小電流的高阻工作狀態(tài)，輸出電壓為低電平。由于力敏Z-元件的閾值電壓Vth對力載荷F具有很高的靈敏度，當力載荷F增加時，閾值點P向左推移，使Vth減小，當力載荷F增加到某一閾值Fth時，力敏Z-元件上的電壓VZ恰好滿足狀態(tài)轉換條件[1]，即VZ=Vth，力敏Z-元件將從M1區(qū)跳變到M3區(qū)，處于大電流的低阻工作狀態(tài)，輸出電壓為高電平。在RL上可得到從低電平到高電平的上跳變開關量輸出，如圖8(a)所示。如果在圖7(a)所示電路中，把力敏Z-元件與負載電阻RL互換位置，則可得到由高電平到低電平的下跳變開關量輸出，如圖8(b)所示。無論是上跳變或下跳變開關量輸出，VO的跳變幅值均可達到電源電壓E的40~50%。
開關量輸出的力敏Z-元件可用作力敏開關、力報警器或力控制器。
（2）力敏Z-元件的脈沖頻率輸出
由于力敏Z-元件的伏安特性隨外部激勵改變而改變，只要滿足狀態(tài)轉換條件，就可實現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的轉換。如果滿足狀態(tài)轉換條件，實現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的一次性轉換，負載電阻RL上可輸出開關信號；同理，如果滿足狀態(tài)轉換條件，設法實現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的周期性轉換，則負載電阻RL上就可輸出脈沖頻率信號。
脈沖頻率輸出電路如圖7(b)所示。在圖7(b)電路中，力敏 Z-元件與電容器C并聯(lián)。由于力敏Z-元件具有負阻效應，且有兩個工作狀態(tài)，當并聯(lián)以電容后，通過RC充放電作用，構成RC振蕩回路，因此在輸出端可得到與力載荷成比例變化的脈沖頻率信號輸出。其輸出波形如圖9(a)所示。輸出頻率的大小與E、RL、C取值有關，也與力敏Z-元件的閾值電壓Vth值有關。當E、RL、C參數(shù)確定后，輸出頻率僅與Vth有關，而Vth對力作用很敏感，可得到較高的力靈敏度。初步測試結果表明：電容器C選擇范圍在0.01~1.0mF，負載電阻在5~20kW，較為合適。同理，若把力敏Z-元件（連同輔助電容器C）與負載電阻RL互換位置，其輸出頻率仍與力載荷成比例，波形雖為鋸齒波，但與圖9﹙a﹚完全不同，如圖9(b)所示。
4．力敏Z-元件的機械結構與施力方式
力敏Z-元件芯片體積很小，施加外力載荷時，必須通過某種彈性體作為依托。當力載荷作用于彈性體時，使芯片內部產(chǎn)生內應力，此內應力可改變力敏Z-元件的工作狀態(tài)（從低阻態(tài)到高阻態(tài)，或者從高阻態(tài)到低阻態(tài)），從而使輸出端產(chǎn)生開關量輸出或脈沖頻率輸出。作為彈性體可以采用條形或園形膜片，材質可以是磷銅、合金鋼或其它彈性材料。無論采用哪種彈性體，力敏Z-元件的受力方式目前理論上可歸結為兩種基本結構：即懸臂式結構和簡支式結構，其示意圖如圖10所示。為便于研究力敏Z-元件受力后的應力應變特征，結構放大示意如圖11所示。
如前所述，Z-元件在外加電場作用下，在N區(qū)可產(chǎn)生“導電管道”，該導電管道在外部激勵作用下，可產(chǎn)生“管道調變效應[2]，由圖11可知，對力敏Z-元件來說，其P區(qū)很薄，N區(qū)相對較厚，焊接層的厚度可忽略不計，因而，在力載荷作用下的管道調變效應必將發(fā)生在N區(qū)。當力載荷作為一種外部激勵作用于彈性體時，使彈性體產(chǎn)生一定的撓度，在半導體晶格內部產(chǎn)生內應力，導電管道受到力調變作用，使N區(qū)電阻發(fā)生變化，改變了力敏Z-元件的伏安特性
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