基于双边极化电荷调制的p-Si/n-ZnO异质结双极晶体管应变传感器实现直接应变-电压转换

为解决传统应变传感器灵敏度低、依赖复杂电路的问题，研究人员提出了一种基于双极晶体管Early电压调控的新型应变传感器，通过双边极化电荷调制n-ZnO/p-Si/n-ZnO异质结的有效基区宽度，实现直接应变-电压转换。理论推导、有限元模拟与实验验证均证实其高灵敏度与线性响应，为高性能集成化应变传感提供了新思路。

　　

应变传感器在工业监测、健康医疗等领域具有重要应用，但传统电阻式或电容式传感器存在灵敏度低、需外接复杂信号处理电路等问题。尽管压电材料能直接将机械应变转化为电信号，但其输出电压通常仅为毫伏级，仍需放大电路。如何实现高灵敏度、直接应变-电压转换的集成化传感器成为研究难点。

针对这一挑战，研究人员设计了一种基于n-ZnO/p-Si/n-ZnO异质结的双极晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)应变传感器。其核心创新在于利用ZnO的压电特性，在发射结和集电结界面产生双边极化电荷，通过调控Early电压（表征晶体管输出阻抗的参数）改变有效基区宽度，从而实现应变-电压的直接转换。研究首先通过理论模型阐明了极化电荷对Early电压的调制机制，推导出应变与输出电压的定量关系；随后采用COMSOL Multiphysics进行有限元仿真验证；最终制备出器件并实验证实其性能。该成果发表于《Applied Materials Today》。

关键技术包括：1）基于压电半导体ZnO与硅的异质结设计；2）双边极化电荷对BJT载流子输运的调控理论建模；3）COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真；4）微纳加工制备n-ZnO/p-Si/n-ZnO晶体管器件。

结果与讨论

1. 工作原理：传感器采用n-ZnO/p-Si/n-ZnO结构，应变诱导的极化电荷分别聚集在发射结和集电结，通过改变耗尽区宽度调控有效基区宽度，从而影响Early电压。理论计算表明，应变每增加0.1%，Early电压变化可达12%。
2. 仿真验证：有限元模拟显示，双边电荷调制比单边调制灵敏度提高3倍，证实了理论预测的线性响应特性。
3. 实验验证：实测器件在0-0.3%应变范围内输出电压变化达35 mV，灵敏度系数为116，优于传统压电传感器。

结论与意义
该研究首次将双边极化电荷调制机制引入BJT应变传感，实现了三大突破：1）通过Early电压直接转换应变信号，省去复杂处理电路；2）灵敏度较单边调制提升显著；3）兼容硅基工艺，易于集成。这一成果为高性能应变传感器提供了新范式，在结构健康监测、智能机器人等领域具有应用潜力。作者Yitong Wang、Fangpei Li等特别指出，该方法可扩展至其他压电半导体异质结体系，为下一代传感技术开辟了新方向。