压阻效应(piezoresistive effect),
物理现象,是指当半导体受到
应力作用时,由于应力引起
能带的变化,能谷的能量移动,使其
电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。半导体压阻传感器已经广泛地应用于航空、化工、航海、动力和医疗等部门。
压阻效应的强弱可以用
压阻系数π来表征。压阻系数π被定义为单位应力作用下
电阻率的相对变化。压阻效应有
各向异性特征,沿不同的方向施加应力和沿不同方向
通过电流,其电阻率变化会不相同。譬如:在室温下测定N型硅时,沿(100)方向加应力,并沿此方向通电流的压阻系数π11=102.2×10-11m2/N;而沿(100)方向施加应力,再沿(010)方向通电流时,其压阻系数π12=53.7×10-11m2/N。此外,不同
半导体材料的压阻系数也不同,如在与上述N型硅相同条件下测出N型锗的压阻系数分别为π11=5.2×10-11m2/N;π12=5.5×10-11m2/N。
压阻效应被用来制成各种压力、应力、应变、速度、
加速度传感器,把
力学量转换成
电信号。例如:压阻
加速度传感器是在其内腔的硅梁根部集成压阻桥(其布置与
电桥相似),压阻桥的一端固定在传感器基座上,另一端挂悬着质量块。当传感器装在被测物体上随之运动时,传感器具有与被测件相同的加速度,质量块按
牛顿定律(
第二定律)产生力作用于硅梁上,形成应力,使电阻桥受应力作用而引起其电阻值变化。把输入与输出导线引出传感器,可得到相应的电压输出值。该电压输出值表征了物体的加速度。
压阻效应是
各向异性的,要用压阻
张量π来描述,它与
电阻率变量张量δ ρ(二价张量)和应力张量k(二阶张量)有如下关系(如图1):π:k。由于对称二阶张量只有六个
独立分量, 故亦可表达成(如图2)这样,压阻张量可用6×6个的分量来表达。根据
晶体对称性,像锗、硅及绝大多数其他
立方晶系的半导体,压阻
张量只有三个不等于零的分量,即π11、π12和π44。
通常有两类简单加应力的方法:①
流体静压强效应。这时不改变晶体对称性,并可加很大的压强。锗、硅的
电阻率都随压强增大而变大。②
切应力效应。利用
单轴拉伸或压缩,这时会改变晶体对称性。压阻系数Δ ρ/ ρk,与外力方向、电流方向及
晶体结构有关。
20世纪50年代起,压阻效应测量曾作为研究半导体
能带结构和电子散射过程的一种
实验手段,对阐明锗、硅等主要半导体的能带结构起过作用。锗和硅的
导带底位置不同,故其压阻
张量的分量大小情况也不同。N型锗的π44比π11、π12大得多,而N型硅的π11却比π12、π44大。这表明锗导带底在<111>方向上,硅导带底在<100>方向上。对于
P型半导体,也有过一些工作。利用压阻测量和别的实验(例如
回旋共振等),取得一系列结果,对锗、硅等的能带结构的认识具体化了。
半导体的压阻效应已经应用到
工程技术中,采用
集成电路工艺制造的硅压阻元件(或称压敏元件),可把力信号转化为
电信号,其体积小、精度高、反应快、便于传输。