半导体中阱的作用

半导体中阱的作用，半导体中阱就叫做P阱区；如果在P型衬底上扩散N型区，就叫做N阱区；n阱工艺:N阱CMOS工艺采用轻掺杂P型硅晶圆片作为衬底,在衬底上做出N阱,用于制作PMOS晶体管，用激光朝量子阱闪一下，可以使中间的半导体层里产生电子和带正电的空穴

在半导体中的所谓深能级中心主要有陷阱和复合中心。

陷阱是俘获一种载流子的能力强、俘获另外一种载流子的能力弱的一种深能级中心，故陷阱具有存一种储载流子的作用。等电子陷阱是一种杂质原子，即它的价电子数目与晶体母体原子的价电子数目相等，故有“等电子”之称；例如GaAs中的氮原子，它有5个价电子，这与母体As原子的价电子数目相等，故它形成的深能级中心是一种陷阱。

复合中心是俘获两种载流子的能力差不多的一种深能级中心，故复合中心具有使一对载流子消失的作用。

一般，陷阱的能级在禁带中的位置较浅，而复合中心的能级较深。

一、固态图象传感器（CCD）

其工作过程是：首先由光学系统将被测物体成象在CCD的受光面上，受光面下的许多光敏单元形成了许多象素点，这些象素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信号控制下，将反映光象的被存储的电荷信号读取并顺序输出，从而完成了从光图象到电信号的转化过程。CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底是电容器两极，SiO2为介质。在金属栅上加正向电压UG，Si中的电子被吸引到衬底和SiO2的交界面上，空穴被排斥，于是在电极下形成一个表面带负电荷的耗尽区。

1.CCD的基本结构和原理

CCD的基本结构，是在N型或P型硅衬底上生成一层厚度约120nm的二氧化硅层，然后在二氧化硅层上依一定次序沉积金属电极，形成MOS电容器阵列，最后加上输入和输出端便构成了CCD器件。CCD的工作原理是建立在CCD的基本功能上，即电荷的产生、存储和转移。

（1）电荷的产生、存储 构成CCD的基本单元是MOS电容器，结构中半导体以P型硅为例，金属电极和硅衬底是电容器两极，SiO2为介质。在金属电极（栅极）上加正向电压 G时，由此形成的电场穿过SiO2 薄层，吸引硅中的电子在Si―SiO2的界面上，而排斥Si－SiO2界面附近的空穴，因此形成一个表面带负电荷，而里面没有电子和空穴的耗尽区。与此同时，Si－SiO2界面处的电势（称表面势 S）发生相应变化，若取硅衬底内的电位为零，表面势 S的正值方向朝下，如图1-45b所示。当金属电极上所加的电压 G超过MOS晶体上开启电压时，Si－SiO2界面可存储电子。由于电子在那里势能较低，可以形象地说，半导体表面形成了电子势阱，习惯称贮存在MOS势阱中的电荷为电荷包。图示

当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子--空穴对。这时在栅极电压 G的作用下，其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。如果 G持续时间不长，则在各个MOS电容器的势阱中蓄积的电荷量取决于照射到该点的光强。因此，某MOS电容器势阱中蓄积的电荷量，可作为该点光强的度量。

（2）电荷包的转移

若MOS电容器之间排列足够紧密（通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm），使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可使信号电荷（电子）在各个势阱中转移，并力图向表面势 S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲 G，就可改变它们对应的MOS的表面势 S，亦即可改变势阱的深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。三个MOS电容器在三相交迭脉冲电压作用下，其电荷包耦合转移过程如图所示。

（3）电荷的输出（检测） CCD中电荷信号的输出方式有多种方法，浮置扩散放大器输出结构　如图所示。

2.CCD的应用

二、光纤传感器

光纤传感器以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号的传感器。按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。功能型光纤传感器既起着传输光信号作用，又可作敏感元件；传光型光纤则仅起传输光信号作用。

1.光纤结构及传光原理

光纤一般为圆柱形结构，由纤芯、包层和保护层组成。纤芯由石英玻璃或塑料拉成，位于光纤中心，直径为5~75μm；纤芯外是包层，有一层或多层结构，总直径在100~200μm左右，包层材料一般为纯SiO2中掺微量杂质，其折射率 2略低于纤芯折射率 1；包层外面涂有涂料（即保护层），其作用是保护光纤不受损害，增强机械强度，保护层折射率 3远远大于 2。这种结构能将光波限制在纤芯中传输。全反射原理　 光纤传播原理

2.光纤传感器的应用

1.记数装置　2.液位控制装置

3.光纤位移传感器 4.反射型光纤传感器

5.受抑全内反射型传感器 6.棱镜式全内反射型传感器

三、非晶态合金传感器

非晶态合金是70年代末发展起来的一种新型材料，具有非常独特的微观结构，其原子排列无规则，即长程无序；而邻近原子的数目和排列有规则，即短程有序；它没有晶态合金中常见的晶界缺陷，但整体上又有很高的缺陷密度，达10/以上。这种结构使得非晶态合金具有许多优异特性，而成为新一代功能材料，在电子、电力和机械等领域得到日益广泛的应用。

非晶态合金作为传感器的敏感材料，完成转换功能多与物理现象有关，属于物理敏感材料。目前发现它最主要的敏感功能是机械量、电学量和磁学量三者之间的相互转换及相互影响。

1.磁--机变换功能与传感器

磁致伸缩效应是用磁化使试件产生机械应变。铁基非晶态合金薄带具有高磁致伸缩特性，与光纤结合构成光纤Mach - Zehnder干涉型弱磁场传感器。除磁场检测外，可用非晶态合金磁致伸缩效应检测温度、距离和物位等物理量。

逆磁致伸缩效应是试件受机械应力后其磁化状态会发生变化。利用此效应可检测应力、应变、扭矩、冲击、声音、压力和振动等。

典型力传感器结构如图所示。图中非晶态合金做成电感线圈磁芯，当磁芯应力变化时，非晶态合金磁化率会发生变化，以致线圈电感发生变化，其电感量L与应力 有一定关系。

压力传感器　张力传感器

2.磁--电变换功能与传感器

非晶态合金的磁--电变换功能，主要指利用非晶态合金的物理效应将磁场参数变化转换成电量的功能。主要物理效应有电磁感应、霍尔效应和磁阻效应等。

电磁感应用法拉第电磁感应定律描述。设有一个磁感应强度为 的磁芯，其上绕有匝数为 N 的线圈，则线圈会感应出电动势式中

--穿过线圈的磁通量；

--磁芯的截面积；

--磁芯导磁率；

--磁场强度。

由上式可见：在恒定磁场偏置下，通过逆磁致伸缩效应把应力的变化转换成导磁率 的变化，再通过电磁感应转换成电动势变化，可做成力传感器；若材料导磁率 不随时间变化，可用来检测磁场变化，做成磁场传感器。

四、智能传感器

到目前为止，还尚未有统一的智能传感器定义。一般认为：传感器与微处理器结合并赋予人工智能的功能，又兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器。

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