半导体的压阻效应

物理学术语

所谓半导体的压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它有以下优点：①灵敏度与精度高；②易于小型化和集成化；③结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变；④动态特性好，其响应频率为103～105Hz。

定义

如图1为半导体制冷的原理图

所谓压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。压阻效应的强弱可以用压阻系数π来表征。压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。譬如：在室温下测定N型硅时，沿（100）方向加应力，并沿此方向通电流的压阻系数π11=102.2×10-11m2/N；而沿（100）方向施加应力，再沿（010）方向通电流时，其压阻系数π12=53.7×10-11m2/N。此外，不同半导体材料的压阻系数也不同，如在与上述N型硅相同条件下测出N型锗的压阻系数分别为π11=5.2×10-11m2/N；π12=5.5×10-11m2/N。

压阻效应被用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器，把力学量转换成电信号。例如：压阻加速度传感器是在其内腔的硅梁根部集成压阻桥（其布置与电桥相似），压阻桥的一端固定在传感器基座上，另一端挂悬着质量块。当传感器装在被测物体上随之运动时，传感器具有与被测件相同的加速度，质量块按牛顿定律（第二定律）产生力作用于硅梁上，形成应力，使电阻桥受应力作用而引起其电阻值变化。把输入与输出导线引出传感器，可得到相应的电压输出值。该电压输出值表征了物体的加速度。

半导体压阻传感器已经广泛地应用于航空、化工、航海、动力和医疗等部门。

优点

它有以下优点：

①灵敏度与精度高；

②易于小型化和集成化；

③结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变；

④动态特性好，其响应频率为103～105Hz。

各向异性

压阻效应是各向异性的，要用压阻张量π(四阶张量)来描述,它与电阻率变量张量δ ρ(二价张量)和应力张量k(二阶张量)有如下关系（如图1）:π:k。由于对称二阶张量只有六个独立分量, 故亦可表达成（如图2）这样，压阻张量可用6×6个的分量来表达。根据晶体对称性，像锗、硅及绝大多数其他立方晶系的半导体，压阻张量只有三个不等于零的分量，即π11、π12和π44。

测量压阻效应通常有两类简单加应力的方法：①流体静压强效应。这时不改变晶体对称性，并可加很大的压强。锗、硅的电阻率都随压强增大而变大。②切应力效应。利用单轴拉伸或压缩，这时会改变晶体对称性。压阻系数Δ ρ/ ρk，与外力方向、电流方向及晶体结构有关。20世纪50年代起，压阻效应测量曾作为研究半导体能带结构和电子散射过程的一种实验手段，对阐明锗、硅等主要半导体的能带结构起过作用。锗和硅的导带底位置不同,故其压阻张量的分量大小情况也不同。N型锗的π44比π11、π12大得多,而N型硅的π11却比π12、π44大。这表明锗导带底在方向上，硅导带底在方向上。对于P型半导体,也有过一些工作。利用压阻测量和别的实验（例如回旋共振等）,取得一系列结果,对锗、硅等的能带结构的认识具体化了。

半导体的压阻效应已经应用到工程技术中，采用集成电路工艺制造的硅压阻元件(或称压敏元件)，可把力信号转化为电信号，优点为体积小、精度高、反应快、便于传输。

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