2 Mo Mo h Mo 2h
4.金属氧化物的半导体化
外来杂质F，如果是间隙，金属为施主，电负ห้องสมุดไป่ตู้大的为受主，如果是替位，分2两
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种情况： （1）替代M，化合价大于M，有剩余电子被激发出去，形成施主能级，化合价
小，形成受主能级。
（2）替代O时，化合价大，起受主作用，化合价小，起施主作用。 金属氧化物电学性质控制 控制金属氧化物导电类型和电阻率等电学性质就变成了控制晶体中杂质 和缺陷的种类和数量。 当在金属氧化物形成Vo后，电离时提供电子即形成施主能级，使材料成为N型 2种方法控制电阻率
Pd-TiO2二极管氢敏器件
Pd-TiO2二极管电流电压特性
吸附氧时，使Pd的功函数变大，Pd-TiO2界面的肖特基势垒增高，
正向电流较小。遇到氢气时，势垒降低，引起正向电流变大。
7.非电阻型半导体气敏传感器
7.3MOS二极管气敏器件
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利用MOS二极管电容-电压特性随被测气体浓度变化的特性对气体进行检测。
注：设计检测电路时，要考虑恢复和稳定时间，加热清洗可以大大缩短恢复和稳定时间。
5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.5烧结型SnO2气敏元件的制备工艺
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5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.6 SnO2气敏元件材料的添加剂
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提高气敏元件灵敏度的添加剂 贵金属添加剂的作用实质上是一种催化作用，Pd、Pt。 提高气体识别能力的添加剂（选择性）
肖特基接触
Wm Ws
半导体中电子面对的势垒
qVD Wm Ws
势垒区为高阻区（电子阻挡层），称此势垒
为肖特基势垒。
正偏---消弱内建场，势垒降低； 反偏---增强内建场，势垒升高。
欧姆接触
Wm Ws
半导体表面为电子积累，高电导区，为电子反 阻挡层，电子的运动无需越过势垒。
7.非电阻型半导体气敏传感器
b
a
结构
等效电路
C-V特性
由于钯对氢气(H2)特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯的功函数降低，导 致MOS管的C-V特性向负偏压方向平移。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。
元件结构 对于烧结型，工作温度高使敏感层发生物理、化学变化，导致性能发生变 化，掺杂贵金属催化剂提高灵敏度，与有毒气体（SO2）接触，出现“中毒” 现象。
氧化物半导体 电极 引线
工艺：制作采用蒸发或溅射的方法，在 处理好的石英基片上形成一薄层金属氧 化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出 电极。
引线 加热器
6.体电阻控制型气敏元 件
6.2 γ-Fe2O3气敏元件工艺
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γ-Fe2O3气敏元件结构
FeCl3
测试电路
工艺流程
6.体电阻控制型气敏元件
6.3 γ-Fe2O3气敏元件性能
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6.体电阻控制型气敏元件
6.3金属氧化物半导体氧敏感元件
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电阻率受晶格中氧空位的控制，氧空位的浓度和氧分压有关。
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空气
气体
液体
空气调节器 试验箱 蒸发器 风 扇
排气扇
浓度检测
电压表 电 源
6.体电阻控制型气敏元 件
6.1 γ-Fe2O3气敏机理
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以Fe2O3和TiO2为代表，与气体接触后，材料的晶体结构发生变化，使电阻变化。 γ-Fe2O3是N型半导体（尖晶石），在高温下吸附还原性气体后，其电阻率下降。
5.2 SnO2气敏器件类型
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(a) 烧结型SnO2气敏器件
旁热式气敏器件: 把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内，在管外涂上金 电极，再在金电极外涂上气敏半导体材料。
符号
优点：克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高。
5.表面电阻控制型气体敏感元件
(b)薄膜型SnO2气敏元件
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添加稀土金属可以改善元件对某些气体的识别能力。如添加二氧化钍
可以提高气敏元件对CO的识别能力，添加二氧化铈可以改善元件对烟雾 的识别能力。 提高其他特性的添加剂 改善热稳定性，添加三氧化二锑或五氧化二钒； 改善响应特性，添加氧化镁、氧化钙等； 助溶剂：二氧化锰、氧化铜。
5.表面电阻控制型气体敏感元件
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主能级。 能级。
M i M i e M i2 2e
金属起施主作用
氧起受主作用
Oi Oi h Oi2 2h
对于反结构缺陷，共价键化合物中，O替代M时，电离产生电子形成施主
2 Om Om e Om 2e
对于反结构缺陷，共价键化合物中， M 替代O时，电离产生空穴形成受
O2 2O
添加Pt的方式：
Pt
降低二氧化钛对氧的吸附势垒，加快响应。
A)二氧化钛成型后，放在氯铂酸和甲醛配置溶液中，吸附的氯铂酸转变成Pt；
B)直接把铂黑加入二氧化钛粉体中； C)二氧化钛粉体放在氯铂酸和甲醛配置溶液中，然后再烧结。 注：二氧化钛氧敏元件负温度系数，采用氧化钴、氧化镁制作电阻做温度补偿。
优点：一致性好，机械强度高，适于批 量生产。
5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.3 SnO2气敏原理（晶界势垒模型）
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气敏部分由N型材料构成，电阻值取决于表面态密度和晶粒大小影响。
对于O2
1/2O2+ne->Oad-
电阻增大
n Oad H 2 H 2 O ne
还原性气体：与氧发生反应，减少电离氧密
5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.2 SnO2气敏器件类型
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(a) 烧结型气敏器件； (a) 烧结型SnO2气敏器件
(b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
直热式和旁热式
直热式气敏器件:
优点:工艺简单，成本低；
缺点: 热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路互相影响。
5.表面电阻控制型气体敏感元件
一氧化碳传感器
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可燃性气体传感器外形
酒精检测
大 学
汽车尾气分析
2.气敏传感器的分类
表面控制型 电阻型
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气 敏 传 感 器
半导体式
容积控制型
表面电位
非电阻型 整流特性 阈值电压 浓差电极
固体电解质式
合成电位
恒电位电解池
电化学式 接触燃烧式
氧电极
燃烧热
2.气敏传感器的分类
a.掺入不同化合价的杂质原子；
b.控制氧化物化学剂量比偏离方向和程度。
5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.1材料
主要有：SnO2和ZnO
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SnO2的基本性质
白色粉末，不溶于水，能溶于热强酸和碱。
SnO2晶体结构
属于四方晶系，具有金红石型结 构；经实验发现，多晶SnO2对多种气 体具有气敏特性；多孔型SnO2半导体 材料，其电导率随接触的气体种类变 化。
引线
基片
电极
引线
优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度 高、互换性好、产量高、成本低等。
mm 单位：
5.表面电阻控制型气体敏感元件
(c)厚膜型SnO2气敏传感器 敏感材料是由SnO2、PdCl2、MgO、
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ThO和SiO2等混合而成，将β-萜品醇和
丁基卡必醇醋酸脂组合成的有机体加上敏 感材料制成厚膜膏浆。
7.1金属氧化物半导体接触
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阈值电压： 定义：使源端半导体表面达到强反型的栅压。
Qm U T U FB U ox 2 F 2 F ms Cox
7.非电阻型半导体气敏传感器
7.2 二极管式气敏器件
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二极管整流特性与气体浓度相关。
n 度，降低势垒高度，阻值减小。 Oad CO CO2 ne
注：加入催化剂（如铂，钯），降低化学吸附的激活能，有助于电子的转移和共有化过程
5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.4 SnO2气体敏感元件特性参数
例如：
2000ppm
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A元件电阻R0和Rs
分别正常空气条件下的阻值，和在规定浓度的监测气体中的阻值。
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MO晶体中的缺陷
4.金属氧化物的半导体化
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Vo Vo e
电离能E1
Vo Vo2 e
电离能E2
氧空位起施主作用
Vm V h
m
电离能E3
2 Vm Vm h
电离能E4
金属空位起受主作用
4.金属氧化物的半导体化
对于间隙原子
温度过高， γ-Fe2O3将向α -Fe2O3转化，失去气敏性，γ-Fe2O3对异丁烷和丙
烷灵敏，对甲烷不灵敏，适合探测液化石油气。而α -Fe2O3对甲烷和氢气非常灵
敏适合探测城市煤气和天然气。 提高γ-Fe2O3性能的方法是防止高温下不可逆相变，加入Al2O3和稀土添加 剂，严格控制工艺，使微结构均匀。
5.7 ZnO表面电阻控制型气体敏感元件
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ZnO是应用最早的一种半导体气敏材料，物理化学性质稳定，禁带宽度 为3.4eV ，熔点为1875℃，粉体承白色或淡黄色，工作温度为400-450℃，比 SnO2气敏元件高，因此，发展没有SnO2快。
ZnO薄膜酒敏元件的结构
5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.8 ZnO气体敏感元件工艺