集成传感器（01） 清华大学
什么是传感器
传感器：能够感受规定的被测量，并按照一定规律抓换成可用输出信号的器件或装置。
传感器特点：
- 传感器是器件或测量装置，能够完成检测任务；
- 输入量为被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；
- 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是光、电物理量，主要是电物理量；
- 输入和输出之间有对应关系，且应有一定的精确程度。
| 分类方法 | 种类 |
|---|---|
| 输入信息特征 | 物理传感器、化学传感器、生物传感器等 |
| 敏感的能量域 | 李敏、电敏、磁敏、光敏、热敏、声敏、气敏、离子敏等 |
| 信息转换原理 | 压电、压阻、光电、热电 |
| 技术发展阶段 | 分立传感器、集成传感器、智能传感器 |
传感器的别称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头···(sensor,transducer,detector,guage…)
什么是集成传感器
集成传感器：敏感元件和放大电路、运算电路、补偿电路等模块，集成在一个芯片、或同一个封装上的传感器称为继承传感器。
利用微加工或集成工艺，把一个或多个传感器及其信号处理、补偿等电路集成在同一个芯片（SoC, System-on-Chip）或同一个封装（SiP, System-in-Package）中的传感器模型。
集成化的类型：
- 多功能一体化
- 同一功能的多元件并列化
- 为了同时测量几种不同的被测参数，可见几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。
集成化的优点：小型化微型化、高性能、多功能、高可靠性、微功耗、低价格
集成传感器的应用
物联网：无线传感器网络和互联网的集成
硅材料与半导体物理简介
硅是制作集成电路和集成传感器的重要基础材料。理论上的单晶硅、纯净硅在生活中很难获得，而加入其他元素后的硅材料，导电特性发生变化。
- 掺杂硼元素的硅材料称为P型掺杂
- 掺杂磷护着砷元素的硅材料称为N型掺杂
【晶面的密勒指数】该晶面与晶胞的坐标轴相交值得到的倒数，再乘以分母的最小公倍数。
- 在半导体工业中，我们可以采用不同的掺杂类型的硅片和不同晶面的硅片。
- 抛光后很难通过肉眼辨别出不同类型的掺杂硅片和晶向。
考察硅材料导电特性的重要方式就是使用能带模型。
- 导带：能量最低的几乎为空的能带 Ec
- 价带：能量最高的几乎填满的能带 Ev
- 带隙：导带和价带之间的间隙 Eg=Ec-Ev
对半导体材料而言，它有一个确定的带隙值一般来说Eg会小于四个电子伏特，当Eg超过四个电子伏特的时候，其电子就很难从价带激发到导带上去，从而实现对导电的一个贡献，此时这类材料就被称为绝缘材料。而对于金属材料或者导体材料而言，其导带和价带会有一定的重叠（也就是说其导带中中会充满一些电子），使得它非常有利于电子的导电，所以金属是一个非常好的良导体。
【典型材料的带隙】
| 材料 | Ge | Si | GaA | 4H-SiC | GaN | 金刚石 | $SiO_2$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Eg(eV) | 0.67 | 1.12 | 1.42 | 3.25 | 3.4 | 6 | 8.9 |
【漂移】带电载流子在电场作用下的运动。而电场施加在半导体上时，载流子的平均速度称为漂移速度；载流子漂移速度与电场的比例常数为迁移率。
电子迁移率：
\[\mu_n=\frac{-v_n}{E}\]空穴迁移率：
\[\mu_p=\frac{v_p}{E}\]迁移率单位：$cm^2/V\cdot s$
P型半导体的单位面积内，空穴电流密度为：
\[J_{p,drift}=1pv_p=qp\mu_pE\]其中，p为空穴浓度，q为电子电荷，n为电子浓度。$v_p$为空穴漂移速度。
同理，在P型半导体内部，还会有少量的电子，电子构成的电流密度为
\[J_{n,drift}=qnv_n=qn\mu_nE\]可看出其取决于电子的浓度及电子的迁移率
故而材料中总体的电流密度，就等于电子的电流密度，再加上空穴的电流密度，可得总漂移电流密度：
\[J_{drift}=J_{n,drift}+J_{p,drift}=(qn\mu_n+qp\mu_p)E\]则可得到半导体的电导率以及电阻率：
\[\sigma=qn\mu_n+qp\mu_n=q(n\mu_n+p\mu_p)\\ \rho=\frac{1}{\sigma}=\frac{1}{q(n\mu_n+p\mu_p)}\]- P型：$\rho=\frac{1}{qp\mu_p}(p»n)$
- N型：$\rho=\frac{1}{qn\mu_n}(n»p)$
一个电子和一个空穴结合并湮灭，称为复合。复合的时间常数 $\tau$称为复合时间，或载流子寿命。
载流子符合产生衰减，载流子数量指数下降。
复合的两种方式：1）直接复合。电子从导带直接跃迁到价带与空穴进行复合，产生符合；2）间接复合，硅材料中主要的复合形式。电子利用利用导带和价带中的一些陷阱能级做一个跳板，然后再跃迁到价带与空穴进行复合。
表面复合：在硅材料表面或者说与别的材料的界面之间电子和空穴的复合率会有很大的提升。（原因是半导体单晶材料在界面处它的晶格出现了断裂，也就是说，在界面上，存在着数量众多的陷阱能级，如此，电子和空穴在材料的界面或者表面处就非常容易发生电子和空穴的复合）。本质上属于间接复合，而由其特性称之为表面复合。改变表面的光洁度可以改变复合的速率。
【硅机械特性】脆而易碎。原因如下：1）单晶硅片直径/厚度比大；2）单晶硅容易沿晶面解理；3）边沿、表面、内部缺陷，产生应力集中；4）切片、高温工艺。解决方案：1）原材料减少缺陷密度，2）采用低温工艺，3）减少划片与抛光等工艺，4）结构设计减少应力。
【硅的热弹性损耗】由于利用硅材料制作的传感器或者执行器很多是处于很高频的振动的工作状态，热弹性产生的损耗如果特别大的话会极大的降低这种震动类型器件的性能。热弹性损耗指的是由材料中的不可逆热流引起的。材料震动产生的拉伸与压缩部分之间有温度差，从而产生热流损耗。只要材料的热膨胀系数不为零，就会有热弹性损耗。
- 热弹性损耗限制了品质因数
$\psi$ 与振动结构相关的参数；$C_v$ 单位体积下的材料热容；$\alpha$ 材料热膨胀系数；$k$ 热导率；$T$ 温度；$f$ 自振频率。
硅材料既有很好的导电特性（电学特性）可以用来制作高性能的电子电路，同时它的机械特性也可以用来制造性能非常好的机械结构或者说各种各样的传感器。
半导体器件简介
P-N结：P型半导体和N型半导体相接触后，形成的结型结构。两种半导体接触以后电子会从N型半导体中扩散到P型半导体里面去，而空穴也会从P型半导体中扩散到N型半导体中，这些扩散的电子和空穴会产生复合，由此，结两侧的参杂元素的离子就会形成一个内建的电场，当内建电场与载流子的扩展达到平衡以后，在结的两侧就会形成一个耗尽区。在耗尽区中载流子的数量几乎为零。
P-N结内建电势：
\[\varPhi_{bi}=\frac{kT}{q}\ln\frac{N_dN_\alpha}{n_i^2}\]P-N结的耗尽区宽度：
\[W_{dep}=\sqrt{\frac{2\epsilon_S}{q}(\frac{1}{N_\alpha}+\frac{1}{N_d})\varPhi_{bi}}\]P-N结在偏压 $V$ 下的耗尽区宽度：
\[W_{dep}=\sqrt{\frac{2\epsilon_S}{q}(\frac{1}{N_\alpha}+\frac{1}{N_d})(\varPhi_{bi}-V)}\]- 当P区施加正电压，N区施加负电压时，P-N结耗尽区宽度变窄，此时称为P-N结正偏。
- 当P区施加负电压，N区施加正电压时，P-N结耗尽区宽度变宽，此时称为P-N结反偏。
整个P-N结结构可以看成是一个电容结构，而这个电容结构的电容值和外加电压是相关的，下面的式子表示了电容-电压特性：
\[\frac{1}{C_{dep}^2}=\frac{W_{dep}^2}{A^2\epsilon_S^2}=\frac{2(\varPhi_{bi}-V)}{qN\epsilon_S A^2}\]P-N结的IV特性（电压电流特性）：
\[I=I_0(e^{qV/kT}-1)\\ I_0=Aqn_i^2(\frac{D_p}{L_pN_d}+\frac{D_n}{L_nN_a}\]$A$ P-N结面积；$I_0$ 反向饱和电流；$L_p,L_n$ 空穴、电子扩散长度；$N_d,N_\alpha$ 施主受主电离浓度；$D_p,D_n$ 空穴、电子扩散系数。
P-N结在正向偏置下，扩散电容：
\[C_{diff}=\frac{dQ}{dV}=\tau_S\frac{dl}{dV}=\tau_SI_{DC}/\frac{kT}{q}\]$\tau_S$：电荷存储时间，通常是N型区和P型区复合寿命的平均。
当P-N结正向偏置时，我们可以将其看作是一个电阻和两个电容的并联电路。这两个电容分别表示扩散电容和耗尽区电容。
第二个重要的半导体器件是双极型晶体管。
【双极型晶体管工作原理】当NPN型晶体管工作的时候，其基极和发射极的PN结正偏，集电极和基极的PN结反偏，此时会有大量的电子从发射机从发射极移动到了基极。由于基极的宽度非常的窄，远小于载流子的扩散长度，这样的话大量的电子就会移动到基极和集电极的PN结，哟与集电极和基极PN结处于反偏状态，进入PN结的电子会被外加电场少入基极。
描述双极型晶体管特征的参数：电流增益和跨导。
电流增益定义为集电极电流与基极电流的比。
\[\beta\equiv\frac{I_C}{I_B}\]跨导的表达式为：
\[g_m=\frac{dI_C}{dV_{BE}}=I_C/\frac{kT}{q}\]
第三个我们要介绍的半导体器件，我们称之为MOS晶体管(MOSFET)，MOS场效应晶体管。此晶体管在现在的数字电路和很多传感器中用的非常广泛的一种晶体管结构。
MOS指的是金属氧化物和半导体结构。
下图为MOS场效应的工作原理图
在这样一个器件结构中, 当我们给栅极施加一个正电压的时候, 山脊下面的P型半导体材料由于静电场的作用, 其内部的空穴被静电场所排斥,而电子会被静电场吸引, 如此, 就会在栅极下面形成一个N型的导电结构, 此现象我们称之为反型. 此时如果在MOS场效应管的源极和漏极施加电压的话, 电子就会通过这样一个N型的反型层构造中从源极流向漏极; 如果当漏极电压继续升高, 升高到一定值的时候, 在接近漏极的N型沟道宽度, 会逐渐的变窄直到为零. 此时通过沟道的电流不再会随着源漏电压的增长而增长, 而达到所谓的饱和状态.
MOS场效应管而言, 其最重要的参数就是阈值电压. 阈值电压为使得沟道能够打开的最小栅电压.
\[阈值电压: V_{TH}=\varPhi_{MS}+2\varPhi_F+\frac{Q_{dep}}{C_{ox}}\]$\varPhi_{MS}$为栅材料与硅衬底的功函数之差; $C_{ox}$为单位面积氧化层电容; $N_d$为衬底的掺杂浓度; $Q_{dep}=\sqrt{4q\epsilon_S\vert\varPhi_F\vert N_d}$
影响MOS场效应管阈值电压的因素:
- 栅电极材料与衬底材料
- 氧化层(厚度\介电常数)
- 衬底掺杂浓度
【敏感元件】敏感元件是传感器的重要组成部分，能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息并将其转变为电信息的特种电子元件。
【放大器电路/放大电路】能增加信号的输出功率。它透过电源取得能量来源，以控制输出信号的波形与输入信号一致，但具有较大的振幅。依此来讲，放大器电路亦可视为可调节的输出电源，用来获得比输入信号更强的输出信号。放大器的四种基本类型是电压放大器、电流放大器、互导放大器和互阻放大器。进一步的区别在于输出是否是输入的线性或非线性表示。放大器也可以通过在信号链中的物理位置来分类。