论文部分内容阅读
随着热敏电阻应用领域的不断扩展，各行业对温度测控精度的要求越来越高，对高B值低阻值的热敏材料也提出了更高的需求。过渡族金属元素掺杂的补偿硅热敏材料在制备高B低阻热敏材料方面具有自身的优势，可作为氧化物陶瓷热敏材料的重要补充。 本文采用涂源开管高温扩散的方法，将深能级过渡族金属元素掺杂入单晶硅中制备出具有负温度系数热敏特性的补偿硅材料。研究了单一掺杂及两种杂质共同掺杂补偿硅材料的制备及性能，重点对在单晶硅中不同占位方式杂质源掺杂所得补偿硅材料的电学性能及热敏性能进行了对比研究，对过渡族金属元素掺杂补偿硅材料的能级结构进行分析并研究了根据掺杂过渡族金属元素在单晶硅禁带中产生的杂质能级的位置计算补偿硅材料材料常数（B值）的方法。 以金和铜为例对单一过渡族金属元素掺杂补偿硅材料的制备方法及材料性能进行研究。金掺杂补偿硅材料的性能研究表明在适当的制备条件下得到的金掺杂补偿硅样品具有良好的负温度系数热敏特性，材料的B值较大，但其电阻值亦较高，材料的一致性较好。而对于在单晶硅材料中主要以间隙位存在的铜掺杂的补偿硅材料，电阻率较低，是典型的高B低阻材料，但与金掺杂的补偿硅材料相比材料电阻值的一致性较差。 为得到高B值低阻值且高一致性的热敏电阻材料，本文选择两种在单晶硅中以不同占位方式存在的过渡族金属元素共同掺杂的方法制备补偿硅材料。制备出金（替代位）和镍（填隙位）共同掺杂的补偿硅材料，材料的一致性较好，最大B值可达到6112K。制备出金（替代位）和锰（填隙位）掺杂补偿硅材料，该材料可在电阻为439Ω时保持B值达5250 K，具有高B低阻的特性。 本工作还对两种在单晶硅中相同占位方式的过渡族金属元素共同掺杂入单晶硅中所得补偿硅材料进行了研究。对在单晶硅中均倾向于占据替代位的金和铂掺杂补偿硅材料研究发现，当扩散温度1200℃之后，扩散时间达到120分钟之后，材料的电阻值和B值趋于稳定，电阻值保持在7 kΩ左右，B值保持在4000 K左右。对在单晶硅中倾向于占填隙位的锰和铜掺杂补偿硅材料的研究发现，材料的电阻率随着Cu元素的掺入得以降低，即Cu的掺入可以有效对材料的电阻率及B值进行调整。 对以上所得过渡族金属掺杂补偿硅材料的能级结构及材料的B值进行计算分析可认为：当掺杂后的补偿硅材料的导电类型为n型时，材料的B值由掺杂元素在禁带中产生的受主能级的深度决定；当掺杂后的补偿硅材料的导电类型为p型时，材料的B值由掺杂元素在禁带中产生的施主能级的深度所决定。