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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【Z-元件特性與應用的擴展】相關文章：
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