1、表面电导型气敏元件工作原理表面电导型气敏元件工作原理主要内容4-3-1 4-3-1 常用气敏材料的性质常用气敏材料的性质4-3-2 4-3-2 表面电导型气敏元件的工作原理表面电导型气敏元件的工作原理总电阻总电阻R=Rv+RsR=Rv+Rs4-3-1 常用气敏材料的性质1.SnO1.SnO2 2气敏材料气敏材料SnOSnO2 2的晶格结构是金红石型结的晶格结构是金红石型结构，具有四方晶系，其晶胞为构，具有四方晶系，其晶胞为体心正交平行六面体，体心和体心正交平行六面体，体心和顶角由锡离子占据，顶角由锡离子占据，a=4.75a=4.75，c=3.19c=3.19。Eg=3.54eVEg=3.54e
2、V，导电类，导电类型为型为N N型。当温度高于型。当温度高于473K473K时，时，霍尔迁移率与温度的关系为霍尔迁移率与温度的关系为正正比于比于T T-1.31-1.31，n=10n=101717cmcm-3-3,室温时，室温时，=200cm=200cm2 2/Vs,/Vs,主要缺陷为氧主要缺陷为氧空位和锡间隙原子。空位和锡间隙原子。图图4-74-7 金红石结构的金红石结构的SnOSnO2 24-3-1 常用气敏材料的性质多晶多晶SnOSnO2 2是一是一种普敏材料，种普敏材料，对许多气体都对许多气体都敏感。接触还敏感。接触还原性气体时电原性气体时电导增大，电阻导增大，电阻减少，反之，减少，反
3、之，接触氧化性气接触氧化性气体时，电导减体时，电导减小，电阻增大。小，电阻增大。氧化性气体：氧化性气体：O O2 2、NONO2 2、SOSO2 2、ClCl2 2还原性气体：还原性气体：H H2 2、COCO、CHCH4 4、C C2 2H H5 5OHOH4-3-1 常用气敏材料的性质2.ZnO2.ZnO气敏材料气敏材料 ZnO ZnO属六方晶系的纤维矿结构。晶格属六方晶系的纤维矿结构。晶格常数常数a=3.24a=3.24，c=5.207c=5.207。ZnOZnO为两性为两性氧化物，不溶于水，可溶于酸或碱中。氧化物，不溶于水，可溶于酸或碱中。ZnO ZnO的化学键是离子键与共价键共存的化
4、学键是离子键与共价键共存的中间状态，氧离子取六角密堆积的方的中间状态，氧离子取六角密堆积的方式排列，而锌离子填入半数的式排列，而锌离子填入半数的O O2-2-紧密紧密排列所形成的四面体空隙中，而排列所形成的四面体空隙中，而O O2-2-密密堆积所形成的八面体空隙是全空。堆积所形成的八面体空隙是全空。禁带宽度禁带宽度Eg=3.4eV，在室温下电子迁移在室温下电子迁移率率e=150-200cm2/Vs，纯净的化学计量比，纯净的化学计量比的的ZnO是一种绝缘体，然而在制备中总会是一种绝缘体，然而在制备中总会产生一些固有的点缺陷，主要是间隙的锌产生一些固有的点缺陷，主要是间隙的锌离子和氧空位，这些缺陷
5、起施主作用，因离子和氧空位，这些缺陷起施主作用，因而而ZnO是一种典型的是一种典型的N型半导体。型半导体。3.WO3.WO3 3气敏材料气敏材料4-3-1 常用气敏材料的性质 WO WO3 3是一种黄色粉末，不溶于水和酸，可溶于碱类中。三氧是一种黄色粉末，不溶于水和酸，可溶于碱类中。三氧化钨的结构取决于温度：它在化钨的结构取决于温度：它在740740以上为四方晶系、以上为四方晶系、330-330-740740为正交晶系、为正交晶系、17-33017-330为单斜晶系、为单斜晶系、-50-17-50-17为三斜晶系。为三斜晶系。WOWO3 3是一种是一种N N型半导体。型半导体。WOWO3 3对
6、多种气体都有一定的气敏特性，对对多种气体都有一定的气敏特性，对H H2 2、C C2 2H H5 5OHOH的气敏性较低，而对的气敏性较低，而对NOxNOx具有较高的灵敏度，具有较具有较高的灵敏度，具有较好的选择性。好的选择性。4.In4.In2 2O O3 3气敏材料气敏材料 In In2 2O O3 3是淡黄色无定形固体，一经加热可逆地转暗至棕红色。是淡黄色无定形固体，一经加热可逆地转暗至棕红色。黄色的黄色的InIn2 2O O3 3易溶于酸和碱，棕红色的易溶于酸和碱，棕红色的InIn2 2O O3 3相对难溶。相对难溶。InIn2 2O O3 3具有具有两种结构，分别是多晶态方铁锰型结构
7、两种结构，分别是多晶态方铁锰型结构(立方，每个晶胞包含立方，每个晶胞包含 1616个个InIn2 2O O3 3分子分子)和刚玉型结构和刚玉型结构(六方，每个单胞包含六方，每个单胞包含6 6个个InIn2 2O O3 3分分子子)。对。对InIn2 2O O3 3材料的气敏应用研究是广泛的，在材料的气敏应用研究是广泛的，在InIn2 2O O3 3材料中掺杂材料中掺杂 不同的掺杂剂，可以制做出酒精、不同的掺杂剂，可以制做出酒精、COCO、O O3 3、NONO2 2、NHNH3 3等传感器。等传感器。4-3-2 表面电导型气敏元件的工作原理当当A AWsWs时，形成表面负电荷吸附，引起半导体能
8、带变化，由时，形成表面负电荷吸附，引起半导体能带变化，由于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之下，将引起半于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之下，将引起半导体导带电子向吸附气体转移，形成表面负电荷吸附。导体导带电子向吸附气体转移，形成表面负电荷吸附。授电子气体吸附授电子气体吸附 A(gas)=A(ad)A(gas)=A(ad)A(ad)+e=A(ad)A(ad)+e=A(ad)-（1）单晶表面单晶表面4-3-2 表面电导型气敏元件的工作原理当当AWsAWs时，形成表面正电荷吸附，引起半导体能带变化，由时，形成表面正电荷吸附，引起半导体能带变化，由于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之上
9、，将引起吸于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之上，将引起吸附气体电子向半导体导带转移，形成表面正电荷吸附。附气体电子向半导体导带转移，形成表面正电荷吸附。给电子气体吸附给电子气体吸附 D(gas)=D(ad)D(gas)=D(ad)D(ad)=D(ad)D(ad)=D(ad)+e e（2）多晶晶界多晶晶界4-3-2 表面电导型气敏元件的工作原理4-3-2 表面电导型气敏元件的工作原理表面气体的吸附和表面反应表面气体的吸附和表面反应u 表面表面O O2 2的吸附：的吸附：O2(g)O2ads O2ads-Oads-Oads2-u 表面还原气体的吸附表面还原气体的吸附(g):G(g)GadsG
10、ads+Oads2-=GO(g)+2e,Gads+Olat2-=GO(g)+2e首先进行物理吸附首先进行物理吸附 若温度较高，若温度较高，O O2 2 可以进一步转化可以进一步转化 吸附氧分子在获得一个电子后，形成化学吸附吸附氧分子在获得一个电子后，形成化学吸附4-3-2 表面电导型气敏元件的工作原理1.1.试说明试说明SnOSnO2 2材料做的气敏元件检测材料做的气敏元件检测H H2 2浓度的工作原理。浓度的工作原理。高阻成因：高阻成因：1 1）晶界势垒）晶界势垒 2 2）表面吸附氧形成的负离子吸附）表面吸附氧形成的负离子吸附 （将（将N-N-半材导带电子束缚）半材导带电子束缚）反应：反应：
11、H H2 2在在N-SnON-SnO2 2晶粒表晶粒表面形成正离子吸附（将电面形成正离子吸附（将电子给子给SnOSnO2 2）H H2(g)2(g)=2H=2Hadsads（将电子释放还给（将电子释放还给SnOSnO2 2）使器件的使器件的RR，且与且与H H2 2浓度成正比。浓度成正比。222 adslatHOH Oe222 adsadsHOH Oe4-3-2 表面电导型气敏元件的工作原理2.2.利用能带理论说明利用能带理论说明P P型半导体的气敏原理。型半导体的气敏原理。当当A AWsWs时，形成表面负电荷吸附，引起半导体能带变化，时，形成表面负电荷吸附，引起半导体能带变化，由于吸附气体所
12、形成的表面能级位于费米能级之下，将引起由于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之下，将引起吸附气体空穴向半导体价带转移，形成表面负电荷吸附。导吸附气体空穴向半导体价带转移，形成表面负电荷吸附。导致半导体表面空穴增多，能带向上弯曲。其结果为半导体电致半导体表面空穴增多，能带向上弯曲。其结果为半导体电导升高，电阻下降。导升高，电阻下降。当当AWsAWs时，形成表面正电吸附，引起半导体能带变化，时，形成表面正电吸附，引起半导体能带变化，由于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之上，将引起由于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之上，将引起半导体价带空穴向吸附气体转移，形成表面正电荷吸附。导半导体价带
13、空穴向吸附气体转移，形成表面正电荷吸附。导致半导体表面空穴减少，能带向下弯曲。其结果为半导体电致半导体表面空穴减少，能带向下弯曲。其结果为半导体电导下降，电阻升高。导下降，电阻升高。（1）单晶表面）单晶表面4-3-2 表面电导型气敏元件的工作原理（2 2）晶界）晶界P P型半导体晶界处势垒如图型半导体晶界处势垒如图 在晶界处，空气中的氧的吸在晶界处，空气中的氧的吸附很难形成，所以晶界处势垒附很难形成，所以晶界处势垒即接触势垒。即接触势垒。当接触还原性气体时，能当接触还原性气体时，能带将进一步向下弯曲，电阻增带将进一步向下弯曲，电阻增大，即电导下降。大，即电导下降。当接触氧化性气体时，能当接触氧
14、化性气体时，能带向下弯曲的程度减小，电阻带向下弯曲的程度减小，电阻下降，即电导上升。下降，即电导上升。总电阻总电阻R=Rv+RsR=Rv+Rs，所以，所以P P型半导体接触还原性气体时，电导下型半导体接触还原性气体时，电导下降。降。P P型半导体接触氧化性气体时，电导上升。型半导体接触氧化性气体时，电导上升。14表面电导型气敏元件的工作原理 气体的吸附气体的吸附电子授受电子授受 or or 电荷偏移电荷偏移(极化极化)N N型半导体型半导体-氧化性气体氧化性气体 负电荷吸附、电导下降负电荷吸附、电导下降 N N型半导体型半导体-还原性气体还原性气体 正电荷吸附、电导上升正电荷吸附、电导上升 P P型半导体型半导体-氧化性气体氧化性气体 负电荷吸附、电导上升负电荷吸附、电导上升 P P型半导体型半导体-还原性气体还原性气体 正电荷吸附、电导下降正电荷吸附、电导下降知识点v 利用能带理论说明金属氧化物利用能带理论说明金属氧化物(N,P(N,P型型)的气的气敏机理敏机理v SnO SnO2 2气敏元件为什么呈现高阻状态气敏元件为什么呈现高阻状态v 试说明试说明SnOSnO2 2元件检测元件检测H H2 2的工作原理的工作原理v 如何解释图如何解释图 4-8 4-8
