电子科技大学：《敏感材料与传感器 Sensitive Materials and Sensors》课程教学资源（课件讲稿）第七章 新型气体传感器 第二节 无机半导体气体传感器

好 986 7.2无机半导体气体传感器 7.2.1概念 7.2.2影响气敏特性的因素 7.2.3四种模式的气敏机理 1.能级生成理论 2.表面电荷层理论 3.接触粒界势垒理论 4.整体原子价控制电导理论 电子科技大学敏感材料与传前器课程组 制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 7.2 无机半导体气体传感器 7.2.1 概念 7.2.2 影响气敏特性的因素 7.2.3 四种模式的气敏机理 1. 能级生成理论 2. 表面电荷层理论 3. 接触粒界势垒理论 4. 整体原子价控制电导理论

7.2.1概念 98 无机半导体气体传感器是利用无机半导体气敏材料同待测气体接触， 引发半导体性质变化，以检测特定气体的成分及其浓度。 洁净的空气 氧化锡 氧化铝基板 加热器 电池 电子科技大学敏席材料与传商器课程组 制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 7.2.1 概念 无机半导体气体传感器是利用无机半导体气敏材料同待测气体接触， 引发半导体性质变化，以检测特定气体的成分及其浓度

7.2.2影响气敏特性的因素 /986 1 气敏材料不止是单晶体，种类繁多； 2 为改善气敏元件的选择性和灵敏度，可将金属氧化物与催化剂或 其他氧化物复合，还可添加粘合剂提高元件强度； 3 多数气敏元件利用材料的表面效应； 元件一般工作在较高温度(200~400C)下； 被测气体种类繁多，特性各异； 6 吸附过程较复杂，既有物理吸附，又有化学吸附等。 电子科技大学敏感材料与传廊器课程组 制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 7.2.2 影响气敏特性的因素 ① 气敏材料不止是单晶体，种类繁多； ② 为改善气敏元件的选择性和灵敏度，可将金属氧化物与催化剂或 其他氧化物复合，还可添加粘合剂提高元件强度； ③ 多数气敏元件利用材料的表面效应； ④ 元件一般工作在较高温度(200~400℃)下； ⑤ 被测气体种类繁多，特性各异； ⑥ 吸附过程较复杂，既有物理吸附，又有化学吸附等

7.2.2影响气敏特性的因素 986 Catalysis Surveys from Asia Vol.7.No.1.April 2003 2003) 识别功能 转换功能 Oxide semiconductor gas sensors Noboru Yamazoe.Go Sakai,and Kengo Shimanoe Faculty of Engineering Sciences,Kyushu University.Kasuga-shi,Fukuoka 816-8580,Japan Semiconductor gas sensors utilize porous polycrystalline resistors made of semiconducting oxides.The working principle involves the receptorfunction played by the surface of each oxide grain and thd transducer function played by each grain boundary. In addition,the utility factor of the sensing body also takes part in determining the gas response.Therefore,the concepts of sensor design are determined by considering each of these three key factors.The requirements are selection of a base oxide with high mobility of conduction electrons and satisfactory stability (transducer function),selection of a foreign receptor which enhances surface reactions or adsorption of target gas(receptor function),and fabrication of a highly porous,thin sensing body (utility factor).Recent progress in sensor design based on these factors is described. 利用率 电子科技大学敏感材料与传廊器课程组

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 识别功能 转换功能 利用率 7.2.2 影响气敏特性的因素

7.2.3.四种模式的气敏机理 /98 1.能级生成理论 以SnO2、ZnO等n型半导体为例讨论 必 吸附还原性气体时，气体将电子交给半 还原性气体 束缚空穴 给电子 R 导体，而以正电荷与半导体相吸；进入 半导体内的电子，束缚空穴，使空穴与 N型半导体 导带上参与导电的自由电子复合几率减 (SnO2、Zn0等） 少，即增强了导电能力，减少了元件的 电阻值。 氧化性气体 减少导带电子数 给空穴 ÷与此相反，若n型半导体吸附氧化性气体 时，电阻值增加。 电子科技大学敏席材料与传廊器课程组制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 1. 能级生成理论 以SnO2、ZnO等n型半导体为例讨论 ❖ 吸附还原性气体时，气体将电子交给半 导体，而以正电荷与半导体相吸；进入 半导体内的电子，束缚空穴，使空穴与 导带上参与导电的自由电子复合几率减 少，即增强了导电能力，减少了元件的 电阻值。 ❖ 与此相反，若n型半导体吸附氧化性气体 时，电阻值增加。 7.2.3. 四种模式的气敏机理

7.2.3.四种模式的气敏机理 2.表面电荷层理论 ·金属氧化物表面结构不连续或存在晶格缺陷，在吸附不同气体后，将形成不同形 式的表面能级。（表面能级与金属氧化物本体能带之间有电子的接受关系，因而形成表 面的空间电荷层) ,吸收气体后，空间电荷层变化（如吸附还原性气体，向空间电荷区域提供电子，使电 荷层电导率增加；反之，吸附氧化性气体使电导率下降)，引起气敏元件电阻值变化。 氧化性气体：一 气体分子 阴离子 电荷层电导率】 表面能级 吸取电子 吸附 还原性气体： 表面能 气体分子 阳离子 电荷层电导率 提供电升 吸附 电子科技大学敏感材料与传廊器课程组 制作程

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 2. 表面电荷层理论 ❖ 金属氧化物表面结构不连续或存在晶格缺陷，在吸附不同气体后，将形成不同形 式的表面能级。（表面能级与金属氧化物本体能带之间有电子的接受关系，因而形成表 面的空间电荷层） ❖ 吸收气体后，空间电荷层变化（如吸附还原性气体，向空间电荷区域提供电子，使电 荷层电导率增加；反之，吸附氧化性气体使电导率下降），引起气敏元件电阻值变化。 7.2.3. 四种模式的气敏机理

7.2.3.四种模式的气敏机理 /986 3.接触粒界势垒理论 本理论根据多晶半导体能带模型提出（多晶粒子界面有势垒存在） 飘粒界面 飘粒养面 (a)如实线所示，因吸附电子 电子接收双气体 C:H 电于供给型气体 接收性气体（氧化性气体） 新拉界西 而使势垒从虚线位置增高； ·(b)因吸附电子供给性气体 (还原性气体)而使势垒降 低； 价特 价 (C)吸附气体不使势垒发生多 (a 《) 大变化。 N型半导体晶粒接触界面 电子科技大学敏席材料与传廊器课程组 制

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 3. 接触粒界势垒理论 ❖ 本理论根据多晶半导体能带模型提出（多晶粒子界面有势垒存在） • (a)如实线所示，因吸附电子 接收性气体（氧化性气体） 而使势垒从虚线位置增高； • (b) 因吸附电子供给性气体 （还原性气体）而使势垒降 低； • (c) 吸附气体不使势垒发生多 大变化。 N型半导体晶粒接触界面 7.2.3. 四种模式的气敏机理

7.2.3.四种模式的气敏机理 /986 4.整体原子价控制电导理论 适用于钙钛矿型原子价控制复合氧化物； 通过添加不同原子价的物质，产生原子价交换。 冬 用ABO3一般式来表示钙钛矿型氧化物，其导 电过程是通过B元素与氧组成的三维网孔状结 构进行的； ABO ÷氧的解离作用可以把网状构造的某一部分切断， 一旦发生这种现象，复合氧化物的电阻值将显 BaTio,的晶体结构示意图 著增加。 电子科技大学敏感材料与传廊器课程组制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 4. 整体原子价控制电导理论 适用于钙钛矿型原子价控制复合氧化物； 通过添加不同原子价的物质，产生原子价交换。 ❖ 用ABO3一般式来表示钙钛矿型氧化物，其导 电过程是通过B元素与氧组成的三维网孔状结 构进行的； ❖ 氧的解离作用可以把网状构造的某一部分切断， 一旦发生这种现象，复合氧化物的电阻值将显 著增加。 BaTiO3的晶体结构示意图 7.2.3. 四种模式的气敏机理