半导体气敏材料

气敏半导体作为一种检测气体成分、浓度的器件—气体传感器，被广泛用于工厂、车间和矿山的各种易燃易爆或有害气体的检测、家庭可燃性气体泄漏检测等方面，从而达到防火、防爆、防中毒的目的，以保证生命与财产的安全。而作为传感器的核心，气体敏感材料决定着传感器的检测和使用性能。

半导体气敏材料的检测原理气体敏感材料是对环境气氛中的某些氧化性气体、还原性气体或有机溶剂蒸汽十分敏感，这些气体在材料表面的吸附和脱附会引起材料电学性质(例如电阻率)的明显改变，从而达到报警的目的。由于对气体具有敏感性，所以这类半导体材料得名为半导体气敏材料，半导体气敏材料可广泛应用于对可燃性气体和有毒性气体的检测、检漏、报警和监控等领域，由于这类材料大都是半导体陶瓷，所以我们又常常称其为气敏陶瓷。

半导体气敏材料分类气敏半导体材料可分为N型和P型两大类。被检测气体在气敏半导体材料表面反应供给半导体电子，从而改变半导体的电阻。遇到气体时电阻下降的材料为N型气敏半导体，反之则为P型气敏半导体。二氧化锡气敏材料是较早发现的一类气敏半导体材料，应用最广泛；氧化锌气敏材料是应用最早的一种半导体气敏材料，其特点是物理、化学性质比较稳定。通常情况下，氧化锌的工作温度比二氧化锡高，但其灵敏度低于二氧化锡。α-氧化铁和γ氧化铁气敏材料主要用于检测可燃性气体，应用范围逐渐扩大。上述3种材料都是N型气敏半导体。稀土复合氧化物是一种新型气敏半导体材料，当掺人某些微量元素后，其灵敏度可达到较高水平。1

半导体气敏材料的特点半导体气敏材料分为表面型的、块体型的、燃烧型的以及电解质与电气化学型的几种。即半导体表面吸附的气体和半导体之间发生电子授受，引起电阻率、表面电位和整流特性发生变化的表面型的半导体气敏材料；吸附气体与半导体之间发生反应且引起内部晶格缺陷浓度发生变化的块体型的半导体气敏材料；表面与可燃性气体一接触就在其表面引起燃烧反应，使其温度上升，电阻率变化的燃烧型的半导体气敏材料，以及固体电解质式和电气化学式的半导体气敏材料。这些材料都应具备：稳定性好，对可燃性气体的危险度和有害气体的不容许浓度应能迅速发出指示，对特定气体的选择性好，反应速度快、再现性好、长寿命、可靠性与精度要高、消耗功率少、小型、价廉，可量产等。1

电阻型半导体气敏材料的导电机理半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体因接触半导体表面而被吸附时，其分子首先在物体表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分 子因产生热分解而化学吸附在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面出现电荷层。例如，氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。

当氧化型气体吸附到N型半导体或还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大;当还原型气体吸附到N型半导体上或氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也会变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。2

本词条内容贡献者为:

李明虓 - 博士（方向：生物化学传感器） - 路易斯维尔大学