【文章內容簡介】 ，接觸界面勢壘高度升高，則電導率降低；如果接觸容易提供電子的氣體時，勢壘高度降低，電導率增加.吸收效應模型認為:對于半導體晶粒燒結體，晶粒中部為導電電子均勻分布區(qū)，表面為電子耗盡區(qū)(空間電荷層)。由于晶粒間頸部電子密度很小，所以，其電阻率要比晶粒內部大得多，當接觸氣體時，晶粒內部電阻基本不便，晶粒頸部和表面電阻受空間電荷層變化的影響，因此，半導體氣敏元件的電阻將隨接觸氣體而變化。167。 SnO2半導體氣敏元件的工作原理根據上述模型，可以如下解釋Sn02半導體氣敏元件的工作原理:Sn02具有金紅石型的晶體結構，金屬錫為四族元素，外層具有四個電子，其氧化物是可變價氧化物，有SnOSnO，其禁帶寬度較寬，在室溫下，它的價帶電子被激發(fā)到導帶中去的幾率很小，因此，其電導主要是靠附加能級上的電子激發(fā)來實現。而這些附加能級是由Sn02中的點缺陷造成的。在晶體組成上，由于各種原因，實際Sn02晶體結構中原子排列不會像它的晶體結構模型那么理想，在材料熱處理的過程中可能留下原子空位，如金屬原子空位Vm，氧原子空位Vo，還有氧間隙原子Oi和金屬間隙原子Mi等缺陷。有時還會有意無意地向晶體中引入雜質原子，例如為了增加Sn02的電導，摻入銻(Sb)，銻原子取代錫原子的位置，形成替位式雜質原子Sbsn。這些缺陷和雜質形成附加能級，Sn02的電導控制就是由這些缺陷和雜質來決定。Sn02氣敏元件是表面電阻控制型氣敏元件，制備元件的氣敏材料是多孔質的Sn02燒結體。在制備氣敏元件的Sn02時，要經過高溫鍛燒的過程，在制備時氧分壓較低的情況下，氧空位Vo是SnO2的主要缺陷。SnO2的一個氧空位相當于從02格點處拿走一個中性原子O，于是在Vo處留下兩個電子，它與附近的錫離子在Vo處的有效電荷分布之和正好抵消，保持電中性。但是，這兩個電子容易被激發(fā)到導帶上去成為自由電子，因此Vo電離起施主作用。 Vo = Vo++ e （53） Vo+= Vo2++ e （54）銻原子代替錫原子成為替位式原子時，由于銻原子可電離成Sb5+，其化合價高于錫離子，會有多余的電子激發(fā)出去，因此起施主作用Sn02在禁帶靠近導帶的地方產生施主能級，因此Sn02是N型半導體，這些施主能級上的電子，很容易激發(fā)到導帶，從而參與導電。通常元件存放在空氣中，空氣中像氧這樣電子兼容性大的氣體，接收來自半導體材料的電子而吸附負電荷，形成受主型表面能級，使表面帶負電，結果導致N型半導體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導電子減少使表面電導減少，從而使元件處于高阻狀態(tài)。根據晶粒接觸界面勢壘模型和吸收效應模型的討論，可知SnO2的晶粒接觸界面存在電子勢壘，即晶界勢壘，其作用是阻礙電子的運動。晶粒接觸部位電阻(即頸部電阻)對元件電阻大小起支配作用，顯然，這一電阻主要取決于勢壘高度和接觸部形狀，即主要受表面狀態(tài)和晶粒直徑大小等的影響。模型如圖520所示分子或原子吸附在SnO2表面，一般有兩種吸附，物理吸附和化學吸附。化學吸附的氧包括吸附在固體表面的氧的“分子離子”O(jiān)2ad；吸附在表面的“原子離子”O(jiān)ad；吸附在固體表面的帶兩個電子負電荷的氧離子O2ad；及晶格氧離子。吸附態(tài)的O2ad不穩(wěn)定，會與其它物質發(fā)生反應或落入氧空位。在低溫下，氧在 Sn02表面以分子離子形式被化學吸附，隨著溫度的圖520 晶界勢壘模型升高，轉變?yōu)樵与x子形式被吸附，即分子離子吸附過程: e + O2= O2ad （55）原子離子吸附過程: O2ad+e=2Oad （56）由于氧吸附力很強，因此，Sn02氣敏元件在空氣中放置時，其表面上總是會有吸附的氧，其吸附狀態(tài)可以是O，O2，O2等等，均是負電荷吸附狀態(tài)，這對N型半導體來說，形成了電子勢壘，使表面勢壘增大，晶界勢壘升高，耗盡層展寬，元件阻值升高。當 SnO2暴露在還原性氣氛中時，比如NH3，H2，CO等，因為還原性氣體和Sn02表面吸附的氧發(fā)生還原反應，降低了O一的密度，同時將電子釋放回Sn02表面附近的導帶，使表面附近載流子濃度(即電子濃度)增大，表面電導增大。用方程式表示SnO2表面在CO中的情況:Oad+ H2→CO2+ e （57）或O2ad+ 2H2→2H2O + e （59）由于在各種不同的氣氛中氧化還原反應速率不同，因此造成對不同氣體靈敏度不同。由于氧化還原反應速率和溫度有關，因此選擇不同的工作溫度，會使傳感器有不同的靈敏度和相應特性。167。 SnO2的敏感機理一氧化碳氣體與N型半導體二氧化錫反應，使電導增大的機理有下面說法一氧化碳氣體與二氧化錫半導體表面上吸附的氧反應，造成吸附氧的脫離，使表面勢壘下降.在CO氣氛中，SnO2表面的反應過程為:2CO + O2→ 2CO2+ e （510）CO+ O2→ CO2+ 2e （511）由于吸附在Sn02半導體表面上的氧和一氧化碳氣體發(fā)生反應，如上兩式，SnO2半導體表面上的氧便脫離SnO2半導體表面，同時將電子釋放回Sn02表面附近的導帶，晶界勢壘降低，表面附近載流子濃度(即電子濃度)增大，表面電導增大。這個勢壘高度又與吸附CO的分子數有關，所以表面電導率與CO氣體濃度有關。CO 氣體濃度高，電導率增大。而當CO氣體濃度高到不能完全被半導體表面吸附的氧氧化時，其電導率將變化不大，元件靈敏度也變化不大，Pt在微氣體傳感器中除了做電極外，也起到這種催化劑的作用，因而元件的靈敏度有很大的提高。下面是半導體傳感器的性能參數：(1)氣敏元件的電阻值將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為Ra。一般其固有電阻值在(103～105)Ω范圍。(2)氣敏元件的靈敏度氣敏傳感器在一定工作條件下，接觸到某種氣體，其電阻值Rs隨氣體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用K表示: K=Rs／R0式中，R0為氣敏傳感器在潔凈空氣中電阻值，Rs為氣敏傳感器在一定濃度的檢測氣體中的電阻值。(3)氣敏元件的響應時間及恢復時間氣敏元件的響應時間，表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下穩(wěn)定電阻值的63%時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應時間，通常用符號tr表示。氣敏元件的恢復時間，表示在工作溫度下，被測氣體由該元件解吸的速度。一般從氣敏元件脫離被測氣體開始計時，直到其阻值恢復到在潔凈空氣中阻值的63%時為止，所需時間稱為恢復時間。(4)初期穩(wěn)定時間在非工作狀態(tài)下長期存放的氣敏元件，因表面吸附空氣中的水氣或者其它氣體，導致其表面狀態(tài)發(fā)生了變化，在加上負電荷后，隨著元件溫度的升高，發(fā)生解吸現象。因此，氣敏元件要恢復正常工作狀態(tài)，需要一定的時間。一般電阻型氣敏元件，在剛通電的瞬間，其阻值將下降，然后再上升，最后達到穩(wěn)定。從開始通電直到氣敏元件阻值達到穩(wěn)定所需時間，