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摘要：Z-元件具有進一步的開發潛力，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，依據對Z-元件工作機理的深入探討，開發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范，使用組態靈活，應用開發潛力大。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，實現多種用途。特別是其中的三端數字傳感器，已引起許多用戶的關注。

Z-元件現有溫、光、磁，以及正在開發中的力敏四個品種，都能以不同的電路組態，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，結合生產工藝和應用開發實踐，在半導體工作機理上和電路應用組態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參考。這些新型敏感元件都具有體積小、生產工藝簡單、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﹙也就是n-i區﹚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區被重摻雜補償的改性PN結，即在高阻硅材料上形成的PN結，又經過重金屬補償，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：M1高阻區，M2負阻區，M3低阻區。其中，高阻的M1區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—P型擴散區—P-N結結面—低摻雜高補償N區，即n-.i區—n+歐姆接觸區—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n-.i，特稱為摻金g-硅區。摻金g-硅區的建立為摻金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結經典理論加以分析，因而在p-n-.i兩區中也應存在一個自建電場區。該電場區因在P區很薄，自建電場區主要體現在n-.i區，且幾乎占據了全部n-.i型區，這樣寬的電場區其場強是很弱的，使得Z-元件呈現了高阻特性。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。這時按經典的PN結理論分析，本應進入正向導通狀態，但由于Z-元件又是一種改性的PN結，其n-.i型區是經重金屬摻雜的高補償區，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，表現在“L”曲線是線性電阻區即“M1”區。這時，如果存在溫度場，由于熱激發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區尚末形成導電管道，如果施加的正向偏壓過大，將產生“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。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-硅熱敏電阻的生產工藝

摻金g-硅熱敏電阻的生產工藝流程如圖4工藝框圖所示。可以看出，該生產工藝過程與Z-元件生產工藝的最大區別，就是不做P區擴散，所以它不是改性PN結，又與現行NTC熱敏電阻的生產工藝完全不同，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行NTC熱敏感電阻相比具有很大區別，其性能各有優缺點。

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的N型半導體，不存在PN結的結區。它的導電機理就是在外電場作用下未被重金屬補償的剩余的施主電子參與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缺點。摻金g-硅熱敏電阻的優點是：生產工藝簡單，成本低，易于大批量生產，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段比NTC熱敏電阻要高近一個量級。其缺點是：一批產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。

三、力敏Z-元件

1．概述“力”參數的檢測與控制在國民經濟中占有重要地位。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，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、工業控制、農業氣象、醫療衛生、工程地質、機電一體化產品以及其它國民經濟裝備領域中，具有廣泛的用途。

在力參數的檢測與控制領域中，現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，為了與數字計算機相適應，用戶不得不采取附加的數字化方法（即加以放大和A/D轉換）才能與數字計算機相連接，使用極其不便，也增加了系統的成本。

Z-元件能以極其簡單的電路結構直接輸出數字信號，非常適合研制新型數字傳感器[1]，其中也包括力數字傳感器。這種力數字傳感器輸出的數字信號（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這一新器件，實現力檢測與控制領域的技術創新。

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區被重摻雜補償的改性PN結。力敏Z-元件的半導體結構如圖6(a)所示。按本企業標準電路符號如圖6(b)所示，圖中“+”號表示PN結P區，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：M1高阻區，M2負阻區，M3低阻區。描述這個特性有四個特征參數：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區動態電阻很大，M3區動態電阻很小（近于零），從M1區到M3區的轉換時間很短（微秒級），Z-元件具有兩個穩定的工作狀態：“高阻態”和“低阻態”，工作的初始狀態可按需要設定。若靜態工作點設定在M1區，Z-元件處于穩定的高阻狀態，作為開關元件在電路中相當于“阻斷”。若靜態工作點設定在M3區，Z-元件將處于穩定的低阻狀態，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

力敏Z-元件的應用電路十分簡單，利用其“L”型伏安特性，在力載荷的作用下，很容易獲得開關量輸出或脈沖頻率輸出。力敏Z-元件的基本應用電路如圖7所示。其中，圖7(a)為開關量輸出，圖7(b)為脈沖頻率輸出。其輸出波形分別如圖8和圖9所示。

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，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區時，力敏Z-元件處于小電流的高阻工作狀態，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恰好滿足狀態轉換條件[1]，即VZ=Vth，力敏Z-元件將從M1區跳變到M3區，處于大電流的低阻工作狀態，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，只要滿足狀態轉換條件，就可實現力敏Z-元件工作狀態的轉換。如果滿足狀態轉換條件，實現Z-元件工作狀態的一次性轉換，負載電阻RL上可輸出開關信號；同理，如果滿足狀態轉換條件，設法實現力敏Z-元件工作狀態的周期性轉換，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。由于力敏Z-元件具有負阻效應，且有兩個工作狀態，當并聯以電容后，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，

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，使芯片內部產生內應力，此內應力可改變力敏Z-元件的工作狀態（從低阻態到高阻態，或者從高阻態到低阻態），從而使輸出端產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區可產生“導電管道”，該導電管道在外部激勵作用下，可產生“管道調變效應[2]，由圖11可知，對力敏Z-元件來說，其P區很薄，N區相對較厚，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生在N區。當力載荷作為一種外部激勵作用于彈性體時，使彈性體產生一定的撓度，在半導體晶格內部產生內應力，導電管道受到力調變作用，使N區電阻發生變化，改變了力敏Z-元件的伏安特性，使閾值點P產生偏移，閾值電壓Vth將發生變化。

實驗表明，由于封裝結構和受力方式的不同，可產生如圖12和圖13所示兩種方式的應力應變。若靜態工作點Q設置在M3區，施加的力載荷使N區產生“壓”應力，N區晶格被壓縮，導電管道變“細”，正偏使用時電阻值將增加，因伏安特性的改變使閾值點P右移，Vth增加。當力載荷F增加到某一特定閾值Fth時，閾值點P向右移至涸叵叩撓也啵γ鬦-元件將從低阻M3區跳變到高阻M1區，如圖12所示。

同理，若靜態工作點Q設置在M1區，施加的力載荷使N區產生“拉”應力，N區晶格被拉伸，導電管道變“粗”，正偏使用時電阻值將減小，因伏安特性的變化使閾值點P左移，Vth減小。當力載荷F增加到某一特定閾值Fth時，閾值點P左移至負載線上，力敏Z-元件將從高阻M1區跳變到低阻M3區，如圖13所示。

上述分析可知，力敏Z-元件在不同封裝結構和不同受力方式下，可產生工作狀態的轉換，可按設計需要輸出不同的跳變信號，可用作力敏開關、力報警器或力控制器。在實際應用中，可通過電源電壓E或負載電阻RL來設定力載荷的閾值Fth，但由于跳變閾值與力敏Z-元件的制造工藝、芯片尺寸、封裝結構、彈性體材質與厚度、受力點的位置等諸多因素有關，許多問題尚需進一步研究與探討。

力敏Z-元件具有M2區的負阻特性，并具有兩個穩定的工作狀態是脈沖頻率輸出的基礎。借助輔助電容器C，按圖7(b)所示電路，通過RC的充放電作用，可實現力敏Z-元件工作狀態的周而復始的轉換，采用圖12﹙a﹚、﹙b﹚或圖13﹙a﹚、﹙b﹚的結構和受力方式，都可輸出脈沖頻率信號，輸出頻率與力載荷成比例，其輸出波形如圖9(a)或圖9(b)所示，分析從略。

作為設計實例，力敏Z-元件樣件1#與樣件2#，經加載與卸載實驗，其脈沖頻率輸出的測試結果如下，供分析研究參考：力敏Z-元件特征參數:Vth=10V,Ith=1mA,Vf=4.5V(測試條件:T=25℃,RL=5kW)

芯片尺寸：2′5′0.3mm，采用簡支式結構，兩支點距離為10mm；中間受力，應力應變方式為N區受壓應力；條狀P銅彈性體，厚度為0.2mm；試驗環境溫度為25.4℃。

按表2，樣件2#﹙加載﹚所測數據，經計算機繪圖可得回歸線如圖14所示。由于封裝結構尚未定型測試數據有一定誤差，但初步實驗表明，在這種施力方式下，輸出頻率f與力載荷成正比，在一定施力范圍內近似呈線性關系，且回差較小。隨力載荷量程加大，非線性度要增加。回歸處理后，力的平均頻率靈敏度SF為：

Hz/g

約每10g改變1Hz。力靈敏度和回差是力敏Z-元件的重要技術指標。需要指出的是：靈敏度和回差與力敏Z-元件的特征參數、形狀與尺寸、彈性體材質與厚度、封裝結構以及受力方式等諸多因素有關。許多問題也需進一步研究與探討。需按用戶需求進行結構定型與標準化生產。

四、新型V/F轉換器

1．概述

目前正在研制或在線使用的各種傳統傳感器，因只能輸出模擬電壓或模擬電流信號，應稱為模擬傳感器。模擬傳感器是模擬儀表或模擬信訊時代的產物，主要缺點是輸出幅值小，靈敏度低，不能與數字計算機直接通訊。人類進入數字信息化時代后，以數字技術支撐的數字計算機已十分普及，現代數字計算機要求處理數字信號，而模擬傳感器因受材料、器件的限制，仍只能輸出低幅值的模擬信號，不能與計算機直接通訊，已成為制約信息產業發展的瓶頸問題。為了使模擬傳感器能與計算機實現通訊，目前是采取把輸出信號進行放大再加以A/D轉換，即把現行的模擬傳感器加以數字化的方法來與數字計算機相適應。雖然在信息采集與處理過程中電路復雜，硬件成本增加，但由于目前能直接輸出數字信號的數字傳感器為數不多，這種模擬傳感器數字化的方法仍發揮著巨大的作用。

本部分利用Z-元件構成一種新型的V/F轉換器，它能把模擬傳感器輸出的電壓信號變成能被數字計算機識別的頻率信號，提供了一種模擬傳感器數字化的新方法。該方法與采用A/D轉換器方案相比，具有電路簡單、成本低、體積小、輸出幅值大、靈敏度高、輸出線性度好、能與計算機直接通訊等一系列優點，可做為模擬傳感器與計算機之間的重要接口，在信息產業中具有廣泛的應用前景。

2．電路組成與工作原理

Z-元件是一種新型的半導體開關元件，當其兩端電壓達到一定閾值(即閾值電壓Vth)時，可從高阻狀態跳變到低阻狀態；而當其兩端電壓小于一定閾值(即導通電壓Vf)時，又可從低阻狀態跳變到高阻狀態。利用這一特性可方便地開發V/F轉換器。

由Z-元件構成的V/F轉換器如圖15(a)所示，圖15(b)為其中Z-元件的電路符號。在圖15(a)所示電路中以電壓E為輸入，由于RL、C和Z-元件之間的充、放電作用，使電路始終處于自激振蕩狀態，其振蕩頻率f與輸入電壓E成正比，波形為鋸齒波，其輸出幅值可以很大，由選定的Z-元件參數而定。實現了模擬信號(電壓E)到數字信號(頻率f)的轉換，可用于數字系統的觸發。由于輸出幅值大，它不需放大就可實現與計算機的直接通訊。

3．V/F轉換器的傳輸特性

當基準溫度TS=20℃時，輸入電壓E與輸出頻率f之間的傳輸特性如圖16所示。由圖16可知該傳輸特性具有良好的線性關系，其中Emin~Emax(相應于MN區間)是工作電壓的極限范圍，AB區間為可靠的工作量程范圍，它決定于模擬傳感器的輸出和V/F轉換電路的參數設計。

由于Z-元件是半導體開關元件，構成V/F轉換器時，對溫度也具有一定的靈敏度，即溫度漂移。該溫度漂移具有正溫度系數，一般小于10Hz∕°C，當環境溫度變化較大時，將引起檢測誤差。

如果該誤差在允許范圍內，可不做溫度補償。如果要求檢測精度較高，特別是在高精度計量使用時，應考慮溫度補償技術。

由溫漂引起的相對誤差與輸出頻率范圍(即量程)有關。若輸出頻率較高，相對誤差較小，若輸出頻率較低，則相對誤差較大。如果假定環境溫度有±10℃的變化，引起輸出頻率變化的絕對誤差為Df=100Hz，按全量程輸出頻率的平均值為f=2000Hz設計，這時由溫漂引起的相對誤差d=±0.5%/℃，可滿足一般計量精度要求。為進一步提高計量精度，必須采取溫度補償技術[4]。