ピエゾ抵抗効果

ピエゾ抵抗効果とは、半導体や金属に機械的な歪みが加わった際に、電気抵抗率が変化する現象のことである。圧電効果とは異なり、ピエゾ抵抗効果は電気抵抗のみを変化させ、電位は変化させない。

金属デバイスに機械的負荷を加えると電気抵抗が変化する現象は、1856年にケルビン卿によって初めて発見されました。単結晶シリコンがアナログ回路やデジタル回路の設計に最適な材料となるにつれ、シリコンとゲルマニウムにおける大きなピエゾ抵抗効果が1954年に初めて発見されました（Smith 1954）。^{[ 1 ]}

導電性および半導体材料では、歪みによって生じる原子間隔の変化がバンドギャップに影響を与え、電子が伝導帯に上昇しやすくなる（材料と歪みによっては上昇しにくくなる）。これにより、材料の抵抗率が変化する。ある一定の歪み範囲内では、この関係は線形であるため、ピエゾ抵抗係数は

$\displaystyle \rho _{\sigma }={\frac {\left({\frac {\partial \rho }{\rho }}\right)}{\varepsilon }}}$

どこ

∂ρ = 抵抗率の変化

ρ = 元の抵抗率

ε = ひずみ

定数である。

半導体の圧電抵抗効果は、ゲルマニウム、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、単結晶シリコンなど、あらゆる種類の半導体材料を用いたセンサデバイスに利用されてきました。シリコンは現在、集積デジタル回路およびアナログ回路の主要材料であるため、圧電抵抗シリコンデバイスの利用は大きな注目を集めています。これにより、応力センサをバイポーラ回路やCMOS回路に容易に統合することが可能になります。

これにより、圧電抵抗効果を利用した幅広い製品が実現しました。圧力センサーや加速度センサーなど、多くの商用デバイスがシリコンの圧電抵抗効果を利用しています。しかし、シリコンの圧電抵抗効果はその大きさから、単結晶シリコンを使用する他のすべてのデバイスの研究開発においても注目を集めています。例えば、半導体ホールセンサーは、印加された機械的応力による信号寄与を排除する方法を採用した後に初めて、現在の精度を達成できるようになりました。

• 圧電効果
• 電気抵抗

• 神田陽三 (1991).「シリコンの圧電抵抗効果」. Sensors and Actuators A: Physical . 28 (2). Elsevier BV: 83–91 . Bibcode : 1991SeAcA..28...83K . doi : 10.1016/0924-4247(91)85017-i . ISSN 0924-4247 . 
• S. Middelhoek および SA Audet、『シリコンセンサー』、デルフト、オランダ：デルフト大学出版局、1994 年。
• AL Window、「ひずみゲージ技術」、第2版、ロンドン、イギリス：Elsevier Applied Science、1992年。
• Smith, Charles S. (1954年4月1日). 「ゲルマニウムとシリコンにおける圧電抵抗効果」. Physical Review . 94 (1). American Physical Society (APS): 42–49 . Bibcode : 1954PhRv...94...42S . doi : 10.1103/physrev.94.42 . ISSN 0031-899X . 
• SM Sze、『半導体センサー』、ニューヨーク：Wiley、1994年。