Введение
Физическое явление
Пьезорезистивный эффект — это изменение электрического сопротивления полупроводника или металла при приложении механической деформации. В отличие от пьезоэлектрического эффекта, пьезорезистивный эффект вызывает изменение только электрического сопротивления, а не электрического потенциала.
История
Изменение электрического сопротивления в металлических приборах под воздействием механической нагрузки впервые было обнаружено в 1856 году лордом Кельвином. С появлением монокристаллического кремния в качестве материала для разработки аналоговых и цифровых схем, выраженный пьезорезистивный эффект в кремнии и германии был впервые обнаружен в 1954 году (Смит, 1954).
Пиезорезистивный эффект в полупроводниках
Пьезорезистивный эффект полупроводниковых материалов может быть на несколько порядков величины больше, чем геометрический эффект, и наблюдается в таких материалах, как германий, поликристаллический кремний, аморфный кремний, карбид кремния и монокристаллический кремний. Следовательно, можно создавать полупроводниковые тензодатчики с очень высоким коэффициентом чувствительности. Однако, они сложнее в обращении, чем металлические тензодатчики, при проведении прецизионных измерений, поскольку полупроводниковые тензодатчики, как правило, чувствительны к воздействию окружающей среды (особенно температуры). Для кремния коэффициенты чувствительности могут быть на два порядка величины выше, чем у большинства металлов (Смит, 1954). Сопротивление n-типа проводящего кремния в основном изменяется из-за смещения трех различных пар энергетических долин. Это смещение вызывает перераспределение носителей заряда между долинами с разной подвижностью. В результате подвижность носителей заряда меняется в зависимости от направления тока. Незначительный вклад вносит изменение эффективной массы, связанное с изменением формы долин. В p-типа проводящем кремнии явления более сложные и также приводят к изменению массы и переносу дырок.
Гигантская пьезорезистентность в металлико-кремниевых гибридных структурах
Гигантский пьезорезистивный эффект – когда пьезорезистивный коэффициент превышает величину, характерную для объемного материала – был обнаружен в микроизготовленной гибридной структуре из кремния и алюминия. Этот эффект нашел применение в сенсорных технологиях на основе кремния.
Гигантский пьезорезистивный эффект в кремниевых наноструктурах
Продольный пьезорезистивный коэффициент кремниевых нанопроводов, изготовленных сверху вниз, оказался на 60% больше, чем в объемном кремнии. В 2006 году было сообщено об аномально высоком пьезорезистивном эффекте в кремниевых нанопроводах, изготовленных снизу вверх – увеличении продольного пьезорезистивного коэффициента более чем в 30 раз по сравнению с объемным кремнием. Это сообщение о гигантском пьезорезистивном эффекте в наноструктурах с тех пор стимулировало значительные усилия, направленные на физическое понимание этого явления не только в кремнии, но и в других функциональных материалах.
Пизорезистивные кремниевые устройства
Пьезорезистивный эффект полупроводников нашел применение в сенсорных устройствах, использующих различные полупроводниковые материалы, такие как германий, поликристаллический кремний, аморфный кремний и монокристаллический кремний. Поскольку кремний сегодня является материалом выбора для интегральных цифровых и аналоговых схем, использование пьезорезистивных кремниевых устройств представляет значительный интерес. Это обеспечивает простую интеграцию датчиков напряжения с биполярными и CMOS-схемами. Благодаря этому стало возможным создание широкого спектра продуктов, использующих пьезорезистивный эффект. Многие коммерческие устройства, такие как датчики давления и акселерометры, используют пьезорезистивный эффект в кремнии. Однако, благодаря своей величине, пьезорезистивный эффект в кремнии также привлек внимание исследователей и разработчиков для других устройств на основе монокристаллического кремния. Например, полупроводниковые датчики Холла смогли достичь своей нынешней точности только после внедрения методов, устраняющих вклад сигнала, вызванный приложенным механическим напряжением.
Изготовление
Пиезорезисторы могут быть изготовлены с использованием широкого спектра пьезорезистивных материалов. Простейшей формой пьезорезистивных кремниевых датчиков являются диффузионные резисторы. Пиезорезисторы состоят из простых двухконтактных диффузных n или p областей внутри p или n подложки. Поскольку типичные удельные сопротивления этих устройств находятся в диапазоне нескольких сотен Ом, дополнительные диффузии p+ или n+ могут быть использованы для облегчения создания омических контактов к устройству. Схематический поперечный разрез основных элементов кремниевого пьезорезистора с n-областью.
Физика работы
Для типичных значений напряжения в диапазоне МПа зависимость падения напряжения на резисторе Vr от напряжения можно считать линейной. Пьезорезистор, ориентированный вдоль оси x, как показано на рисунке, может быть описан следующим образом:
где R₀, I, α<sub>t</sub>, α<sub>l</sub> и σ<sub>x</sub>, σ<sub>y</sub>, σ<sub>z</sub> обозначают сопротивление в отсутствие напряжения, приложенный ток, поперечный и продольный пьезорезистивные коэффициенты, и три компоненты тензорного напряжения, соответственно. Пьезорезистивные коэффициенты значительно варьируются в зависимости от ориентации датчика относительно кристаллографических осей и профиля легирования. Несмотря на достаточно высокую чувствительность к напряжению простых резисторов, их предпочтительнее использовать в более сложных конфигурациях, устраняющих определенные перекрестные чувствительности и недостатки. Пьезорезисторы обладают недостатком высокой чувствительности к изменениям температуры, при этом демонстрируя сравнительно небольшие изменения амплитуды сигнала, связанные с относительным напряжением.
Другие пьезорезистивные устройства
В кремнии пьезорезистивный эффект используется в пьезорезисторах, датчиках, пьезо-FET, твердотельных акселерометрах и биполярных транзисторах. Электропроводящий упаковочный материал Velostat используется энтузиастами для создания датчиков давления благодаря своим пьезорезистивным свойствам и низкой стоимости.