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(chǔ)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(zhuǎn)換器。本文著重介紹了這些新型敏感元件的電路結(jié)構(gòu)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(guān)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(zhuǎn)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(nèi)僅用兩個﹙或3個﹚元器件，就可構(gòu)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(guān)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(guān)、模擬或脈沖頻率信號，相應構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(lǐng)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(chǔ)上，結(jié)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(zhuǎn)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(shù)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(chǔ)上，按新的結(jié)構(gòu)和新的生產(chǎn)工藝設計制造的，在溫度檢測與控制領(lǐng)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(jié)，即在高阻硅材料上形成的PN結(jié)，又經(jīng)過重金屬補償，因而它具有特殊的半導體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

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