壓阻效應

壓阻效應的強弱可以用壓阻係數π來表徵。壓阻係數π被定義為單位應力作用下電阻率的相對變化。壓阻效應有各向異性特徵，沿不同的方向施加應力和沿不同方向通過電流，其電阻率變化會不相同。譬如：在室溫下測定N型硅時，沿（100）方向加應力，並沿此方向通電流的壓阻係數π11=102.2×10-11m2/N；而沿（100）方向施加應力，再沿（010）方向通電流時，其壓阻係數π12=53.7×10-11m2/N。此外，不同半導體材料的壓阻係數也不同，如在與上述N型硅相同條件下測出N型鍺的壓阻係數分別為π11=5.2×10-11m2/N；π12=5.5×10-11m2/N。

壓阻效應被用來製成各種壓力、應力、應變、速度、加速度感測器，把力學量轉換成電信號。例如：壓阻加速度感測器是在其內腔的硅梁根部集成壓阻橋（其布置與電橋相似），壓阻橋的一端固定在感測器基座上，另一端掛懸著質量塊。當感測器裝在被測物體上隨之運動時，感測器具有與被測件相同的加速度，質量塊按牛頓定律（第二定律）產生力作用於硅樑上，形成應力，使電阻橋受應力作用而引起其電阻值變化。把輸入與輸出導線引出感測器，可得到相應的電壓輸出值。該電壓輸出值表徵了物體的加速度。

它有以下優點：

①靈敏度與精度高；

②易於小型化和集成化；

③結構簡單、工作可靠，在幾十萬次疲勞試驗后，性能保持不變；

④動態特性好，其響應頻率為103～105Hz。

壓阻效應是各向異性的，要用壓阻張量 π( 來描述，它與電阻率變數張 量δ ρ(二價張量)和應力張量k(二階張量)有如下關係（如圖1）: π: k。由於對稱二階張量只有六個獨立分量, 故亦可表達成（如圖2）這樣，壓阻張量可 用6×6個的分量來表達。根據晶體對稱性，像鍺、硅及絕大多數其他立方晶系的半導體，壓阻張量只有三個不等於零的分量，即 π11、 π1 2和 π44。

通常有兩類簡單加應力的方法：①流體靜壓強效應。這時不改變晶體對稱性，並可加很大的壓強。鍺、硅的電阻率都隨壓強增大而變大。②切應力效應。利用單軸拉伸或壓縮，這時會改變晶體對稱性。壓阻係數 Δ ρ/ ρk，與外力方向、電流方向及晶體結構有關。

20世紀50年代起，壓阻效應測量曾作為研究半導體能帶結構和電子散射過程的一種實驗手段，對闡明鍺、硅等主要半導體的能帶結構起過作用。鍺和硅的導帶底位置不同，故其壓阻張量的分量大小情況也不同。N型鍺的 π44比 π11、 π12大得多，而N型硅的 π11卻比 π12、 π44大。這表明鍺導帶底在<111>方向上，硅導帶底在<100>方向上。對於P型半導體，也有過一些工作。利用壓阻測量和別的實驗（例如迴旋共振等）,取得一系列結果，對鍺、硅等的能帶結構的認識具體化了。

現在，半導體的壓阻效應已經應用到工程技術中，採用集成電路工藝製造的硅壓阻元件(或稱壓敏元件)，可把力信號轉化為電信號，其體積小、精度高、反應快、便於傳輸。