半導體感測器

利用半導體性質易受外界條件影響這一特性製成的感測器。

根據檢出對象，半導體感測器可分為物理感測器(檢出對象為光、溫度、磁、壓力、濕度等)、化學感測器(檢出對象為氣體分子、離子、有機分子等)、生物感測器(檢出對象為生物化學物質）。

根據光和半導體的相互作用原理製成的感測器。通過在半導體中摻進雜質可以在禁帶中造成新的能級，可以人為地將光的吸收移至長波範圍。

半導體光感測器種類很多，可以通過光導效應、光電效應、光電流等實現光的檢出，如光敏電阻、光電二極體、光電三極體、光電池等。改變結構，還可以製成具有新功能的光感測器，例如靈敏度高和響應速度快的近紅外檢出器件、僅在特定波長範圍靈敏的器件、發光與受光器件處於同一襯底的器件、可進行光檢出和電流放大的器件（圖1）、光導膜與液晶元件相結合的器件、電荷耦合器件等。

一般隨溫度的上升，半導體中載流子濃度增加、電阻降低。利用這種效應可以製成熱敏電阻。由於半導體載流子濃度與溫度有關，還會產生顯著的塞貝克效應。當P 型半導體兩端存在溫度差墹T，熱端的空穴濃度大，因此空穴向冷端擴散，並在此端產生正的空間電荷場（圖2）。這個電壓（塞貝克電壓uS）約為150μV/K。對N型半導體，圖2 中載流子為電子，冷端連接點為負。因此，同時使用P型與N型半導體電偶的uS可達300μV/K，比金屬的uS(40μV/K)大一個數量級。

半導體溫度感測器分為兩類：接觸型和非接觸型。接觸型又分為熱敏電阻與PN結型兩種。

隨著溫度的變化，半導體感溫器件電阻會發生較大的變化，這種器件稱為熱敏電阻。常用的熱敏電阻為陶瓷熱敏電阻，分為負溫度係數(NTC)熱敏電阻、正溫度係數(PTC)熱敏電阻和臨界溫度電阻(CTR)。熱敏電阻一般指NTC熱敏電阻。

PN結溫度感測器是一種利用半導體二極體、三極體的特性與溫度的依賴關係製成的溫度感測器。非接觸型溫度感測器可檢出被測物體發射電磁波的能量。感測器可以是將放射能直接轉換為電能的半導體物質，也可以先將放射能轉換為熱能，使溫度升高，然後將溫度變化轉換成電信號而檢出。這可用來測量一點的溫度，如測溫度分佈，則需進行掃描。

當對象溫度低、只能發射紅外線時，則須檢出其紅外線（見光電導探測器）。

磁感測器主要基於霍爾效應和磁阻效應的原理。利用霍爾效應的器件稱為霍爾器件。當施加磁通B 時，電阻增加率墹R/R 可用下式表示

墹R/R∝μ2B2

式中μ為載流子遷移率。半導體的載流子遷移率(如InAs約為104 厘米2 /伏秒)比金屬(如Cu約為34.8厘米2 /伏秒)大得多，所以半導體的磁阻效應很大。

半導體磁感測器體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、壽命長，在電子學領域得到應用。此外，還可利用磁效應製作長度與重量感測器、高分辨（0.01度）的傾斜感測器，以及測定液體流量等。

半導體在承受壓力時禁帶寬度發生變化，導致載流子濃度和遷移率變化。這樣引起的電阻變化比金屬絲受壓時截面積減小引起的電阻變化要大兩個數量級。因此半導體壓力感測器具有高靈敏度。將 P型半導體與 N型半導體組合使用還可製成靈敏度更高的壓力感測器。擴散型半導體壓力感測器採用集成電路工藝製成，可以提高性能，改進測量的精度。如加工硅單晶製成受壓膜片，在其表面用平面工藝擴散再製成壓力規，由於二者處在同一矽片上，可以減少滯后、提高精度。

使用半導體壓力感測器測量生物體各部分的壓力比使用古老的脈壓、血壓測量方法，具有精度高、體積小、可在生物體自然狀態下測量和安全（微小電流）的優點。

當半導體表面或界面吸附氣體分子或水分子時，半導體表面或界面的能帶發生變化。利用這種半導體電阻的變化可檢測氣體或濕度。半導體濕度感測器具有體積小、重量輕的特點，實用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷濕度感測器。ZnO-Cr2O3系陶瓷濕度感測器用於室內空調，可精密控制濕度，與微機結合能自動去濕，節省電能。TiO2-V2O5系陶瓷濕度感測器耐熱性好，可測量60℃以上的環境濕度，還可用於醫藥、合成纖維工廠中存在有機物蒸氣時的濕度測量。

利用半導體與氣體接觸時電阻或功函數發生變化這一特性檢測氣體。氣體感測器分為電阻式與非電阻式兩種。

電阻式採用SnO2、ZnO等金屬氧化物材料製備，有多孔燒結件、厚膜、薄膜等形式。根據半導體與氣體的相互作用是發生在表面還是體內，又分為表面控制型與體控制型。表面控制型電阻式感測器包括SnO2系感測器、ZnO系感測器、其他金屬氧化物(WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等) 材料的感測器和採用有機半導體材料的感測器。體控制型電阻式感測器包括Fe2O3系感測器、ABO3型感測器和燃燒控制用感測器。這類感測器可檢測甲烷、丙烷、氫、一氧化碳等還原性氣體，氧、二氧化氮等氧化性氣體，具有強吸附力的胺類和水蒸汽等。

非電阻式氣體感測器利用氣體吸附和反應時引起的功函數變化來檢測氣體。它可分為金屬－半導體結二極體型感測器（利用金屬與半導體界面上吸附氣體時，二極體整流特性的變化）、MOS二極體型感測器（採用MOS結構，通過C-V特性的漂移檢測氣體）和MOS FET型感測器（通過MOS FET的閾值電壓變化檢測氣體）。

半導體氣體感測器靈敏度高，可用於可燃氣體防爆報警器,CO、H2S等有毒氣體的監測器。通過穩定性研究，一些感測器可用於氣體濃度的定量監測。半導體氣體感測器在防災、環境保護、節能、工程管理、自動控制等方面有廣泛的應用。

半導體離子感測器體積很小，能直接插入生物體內進行連續測量，隨時監視患者的病情。

半導體表面的電阻隨垂直於表面的電場變化。利用這種場效應製成的絕緣柵場效應晶體管 (IGFET)可作為化學感測器。而在測量離子時，即稱為離子靈敏場效應晶體管(ISFET)。ISFET的柵絕緣層表面只對特定的離子產生響應並形成離子感應層。這種界面電位的變化通過FET的漏極電流變化檢出。ISFET的小型化不存在離子選擇電極電阻過大的問題，它的輸出阻抗很小。由於界面雙電層的穩定性，即使在濃度很低的情況下也能檢出界面電位的變化，因此具有很高的靈敏度（見場效應化學感測器）。ISFET可用來測量H+ 、Na+ 、K+ 、Ca++ 、Ag+ 、NH嬃等陽離子和F- 、Cl- 、Br- 、I- 、CN- 等陰離子，還可製成複合ISFET（即同一 ISFET可測幾種不同的離子）和FET型的參考電極(REFFET)等。

改變 ISFET敏感膜或採用其他結構可以檢出複雜的生物化學物質。這種感測器用於醫療、食品、醫藥、環境保護等方面。例如，在臨床化學檢查中，用固定酵素作電極的方法對血液中葡萄糖、澱粉酶、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸進行分析，迅速而又簡便。生物感測器正向檢測更複雜的生物關聯物質、免疫物質、細胞和微生物的方向發展。

採用集成化技術，將半導體感測器與信息處理電路集成於同一晶元，可以增加感測器的功能。此外，還可以在同一襯底上製作能檢出不同對象的具有複合功能的半導體感測器器件。已出現單片集成感測器和混合集成感測器，將感測器與微處理機相結合可以製成具有自動補償功能和預知判斷功能的智能化器件。

半導體感測器優點是靈敏度高、可靠性好、可實現多功能、小型化、智能化，缺點是多感性、選擇性差、在極限狀態下（例如高溫）不能使用。針對結晶型半導體感測器的不足，人們正在研究無定形半導體感測器。