О нелинейности вольт-амперных характеристик хеморезисторных сенсоров газа в мультисенсорных системах | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №5 (52) май 2013 г.

Статья просмотрена: 226 раз

Библиографическое описание:

Таишев С. Р. О нелинейности вольт-амперных характеристик хеморезисторных сенсоров газа в мультисенсорных системах // Молодой ученый. — 2013. — №5. — С. 108-110. — URL https://moluch.ru/archive/52/6788/ (дата обращения: 18.09.2018).

В настоящее время наблюдается тенденция миниатюризации чувствительных элементов при создании газочувствительных систем, например, размер одного дискретного элемента мультисенсорной системы составляет десятки микрометров — рисунок 1. При уменьшении линейных размеров проявляются новые эффекты, которые вносят вклад в чувствительность и селективность сенсоров. Для исследования природы электрофизических свойств в этом случае, рассмотрим классический случай единичного сенсора.

Рис. 1. Газочувствительной сенсор, произведенный в Германии

Если расстояние между электродами составляет < 50 мкм, то имеются отклонения от линейной зависимости вольт-амперной характеристики (ВАХ). Вероятно, вклад в нелинейность ВАХ вносят следующие факторы:

-        движение находящихся на поверхности протонов в сторону катода;

-        движение хемосорбированных ионов к аноду.

-        движение собственных электрически активных дефектов.

По поверхности газочувствительной пленки происходит движение отрицательно заряженных ионов кислорода между электродами в сторону анода. В данном процессе при снятии ВАХ имеется петля гистерезиса (рисунок 2).

Ток ионов на поверхности сенсорной пленки определяется:

js = qμsθNsELD                                                                                                               (1)

где q — заряд иона; μs–поверхностная подвижность; θ — степень заполнения адсорбционных центров; Ns — поверхностная концентрация поверхностных центров; Е — напряжённость поля в образце; LD–длина экранирования Дебая.

Участниками переноса тока являются электроны и дырки в объеме полупроводника, а также ионы, располагающиеся на поверхности.

Описание: Описание: C:\Users\Игорь\Desktop\модель ионного транспорта\рис1.jpg

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика чувствительного элемента, характерная для сенсоров с малым зазором между электродами

Скорость носителей заряда на поверхности меньше чем скорость носителей в объеме полупроводника, вследствие чего они накапливаются в прианодной области. В силу принципа электронейтральности полупроводника, объемные электроны будут скапливаться в области, прилежащей к катоду. Соответственно, объёмная проводимость будет лимитироваться обеднённой прианодной областью. Поэтому имеются две электрические цепи: первая — управляющая, обусловленная ионным переносом по поверхности и управляемая, которая определяется объемом полупроводника. Причем из формулы (1) следует, что при повышении прикладываемого напряжения U, начинает доминировать цепь с ионным видом проводимости, на ней же происходит падение большей части напряжения. Уменьшение напряжения на структуре не приводит к изменению размеров этой области, пока скорость переноса ионов по поверхности не будет меньше скорости десорбции частиц с поверхности в газовую фазу. В силу чего возникает явление гистерезиса.

Перепишем уравнение (1) с учетом зависимости θ от парциального давления газа-анализатора:

,

где γ — коэффициент, зависящий от природы полупроводника и газа.

Из полученного уравнения следует, что при повышении парциального давления газа, растет вклад ионной составляющей тока.

Рассмотрим характерные ВАХ для чувствительных элементов сенсоров в зависимости от концентрации СО — рисунок 3.

Описание: Описание: C:\Users\Игорь\Desktop\модель ионного транспорта\рис3.jpg

Рис. 3. ВАХ чувствительного элемента при различных парциальных давлениях СО

Как видно, при малых значениях U ВАХ имеет практически линейную зависимость, что указывает на малый вклад ионного тока на поверхности полупроводника. При повышении приложенного напряжения увеличивается вклад ионного тока и линейная зависимость переходит в сублинейную. Зависимость может быть аппроксимирована функцией следующего вида:

I = AUn,

где А– постоянная аппроксимации; n — коэффициент, зависящий от сорта газа и рабочей температуры, и слабо от его концентрации.Вобласти низких напряжений коэффициент n равен единице, ввиду чего константа А приобретает смысл проводимости объёмных электронов

Еще один фактор вносящий отклонение ВАХ от линейности — это движение протонов по поверхности в сторону катода.

Согласно прыжковому механизму Гроттуса, протон двигается в форме молекулы гидроксония (гидрония) — H2O-H+ (H3O+). Состояние Н+, подобно дырке в полупроводниках, переключается на соседние атомы воды, перемещаясь к катоду. Данный процесс вносит вклад в нелинейность ВАХ только в том случае, если на поверхности сенсора есть перколяционный стягивающий кластер воды.

Последний рассматриваемый фактор, вносящий вклад в нелинейность ВАХ — это движение электрически активных собственных дефектов в объеме материала. При приложении напряжения к электродам газового сенсора начинается движение заряженных ионов. Запишем зависимость распределения двукратно ионизированных вакансий кислорода VO+2 от расстояния между электродами d и суммарным зарядом Q(t), прошедшим через полупроводниковый сенсор:

~ Q(t), d-2.

Очевидно, что градиент концентрации резко увеличивается с уменьшением размеров и зависит от суммарного заряда, прошедшего через сенсорную структуру. В полупроводниковом сенсоре, при приложении на электроды напряжения, появляется собственное электрическое поле, которое не исчезает сразу после снятия внешнего поля, в результате чего появляется петля гистерезиса.

Литература:

1.                  Аверин И. А., Никулин А. С., Мошников В. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Чувствительный элемент газового сенсора с нанострукутрированным поверхностным рельефом // Датчики и системы, 2011. — № 2. — С. 24–27;

2.                  Пронин И. А. Управляемый синтез газочувствительных пленок диоксида олова, полученных методом золь-гель-технологии // Молодой ученый, 2012. — № 5. — С. 57–60;

3.                  Пронин И. А. Анализ концентрации собственных дефектов при создании газочувствительных структур на основе диоксида олова // Молодой ученый. — 2012. — № 8. — С. 7–8;

4.                  Аверин И. А., Мошников В. А., Пронин И. А. Влияние типа и концентрации собственных дефектов на структуру и свойства диоксида олова // Нано- и микросистемная техника, 2013. — № 1. — С. 27– 29;

5.                  Пронин И. А., Аверин И. А., Александрова О. А., Мошников В. А. Модифицирование селективных и газочувствительных свойств резистивных адсорбционных сенсоров путем целенаправленного легирования // Датчики и системы, 2013. — № 3. — С. 13–16;

6.                  Пронин И. А., Аверин И. А., Димитров Д. Ц., Крастева Л. К., Папазова K. И., Чаначев A. С. Исследование чувствительности к этанолу переходов ZnO — ZnO:Fe на основе тонких наноструктурированных пленок, полученных с помощью золь-гель-технологии // Нано- и микросистемная техника, 2013. — № 3 — С. 6–10;

7.                  Аверин И. А., Карпова С. С., Никулин А. С., Мошников В. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Управляемый синтез тонких стекловидных пленок // Нано- и микросистемная техника, 2011.– № 1. — С.23–25;

8.                  Аверин И. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Особенности низкотемпературной самоорганизации золей на основе двухкомпонентных систем на основе SiO2 — SnO2 // Нано- и микросистемная техника, 2011. — № 11. — С. 27–30;

9.                  Грачёва И. Е., Мошников В. А., Пронин И. А. Исследование материалов на основе диоксида кремния в условиях кинетики самосборки и спинодального распада двух видов // Нанотехника. — 2011. — № 2 (9). — С. 46– 54;

10.              Аверин И. А., Мошников В. А., Пронин И. А. Особенности созревания и спинодального распада самоорганизующихся фрактальных систем // Нано- и микросистемная техника, 2012. — № 5. –С. 29–33;

11.              Аверин И. А., Александрова О. А., Мошников В. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Типы фазового распада растворов полимеров // Нано- и микросистемная техника, 2012. — № 7. — С. 12–14;

12.              Аверин И. А. Пронин И. А. Особенности фазового состояния неравновесных термодинамических систем полимер-растворитель // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки,2012. — № 2. — С. 163–170;

13.              Аверин И. А., Карманов А. А., Мошников В. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Особенности синтеза и исследования нанокомпозитных плёнок, полученных методом золь-гель-технологии // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки, 2012. — № 2. — С. 155–163;

14.              Аверин И. А., Мошников В. А., Пронин И. А. Газочувствительность металлооксидных полупроводниковых пленок на основе материалов с отклонением от стехиометрии: учебное пособие. — Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. — 100 с.;

15.              Аверин И. А., Блохин Ю. Н., Луцкая О. Ф. Термодинамическое исследование условий синтеза слоев твердых растворов PbSl-xSex //Неорганические материалы, 1988. — Т. 24. — № 2. — С. 219– 222.

16.              Аверин И. А. Управляемый синтез гетерогенных систем: технология и свойства диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Пензенский государственный университет. Пенза, 2007. — 381 с.;

17.              Аверин И. А., Печерская Р. М. Контролируемое изменение эксплуатационных характеристик чувствительных элементов и их временной стабильности/ Нано- и микросистемная техника, 2007. — № 1. — С. 20– 23;

18.              Якушова Н. Д. Методы синтеза пленок модифицированного диоксида олова и их сенсорные свойства // Молодой ученый, 2013. — № 2. — С. 9– 14;

19.              Печерская Е. А., Рябов Д. В., Якушова Н. Д. Метрологические аспекты модели активного диэлектрика // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий, 2012. — № 1. — С. 208– 213.

Основные термины (генерируются автоматически): ВАХ, поверхность, объем полупроводника, нелинейность ВАХ, линейная зависимость, ионный ток, вольт-амперная характеристика, полупроводниковый сенсор, суммарный заряд, чувствительный элемент.


Похожие статьи

Расчет эквивалентного сопротивления управляемого пассивного...

...параметром сопротивление полупроводникового элемента полуволнового вибратора.

,(1). где I0 — обратный ток насыщения диода, I — значение прямого тока, e — заряд

ветви вольт-амперной характеристики, показанной на рис. 4. Величина барьерной емкости при...

Оксидно-цинковые варисторы с повышенной тепловой...

Одной из главных характеристик варистора является вольтамперная (ВАХ). Ее можно разделить на три области: область малых токов, область нелинейности и область высоких токов (рис

ВАХ в этой области линейна, управляется состоянием границ зерен и их емкостью.

Теоретический анализ полупроводниковых резистивных цепей

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика. ВАХ диода можно получить экспериментально или по справочным данным для данного полупроводникового элемента.

Разработка высокочувствительного сенсора температуры на...

Для изучения вольт-амперных характеристик p-i-n- диода, на обе поверхности кристалла наносились металлические контакты.

Uпр=f(Т) — не линейна. В результате проведения второго этапа ионной имплантации и отжига зависимость Uпр=f(Т) становится линейной в...

Анализ влияния структуры излучающего р-n-перехода...

...вольтамперных, вольт-фарадных и световых характеристик, например, при облучении.

из р+, p(n) и n+-областей p+-p(n)-n+-структуры от тока на различных участках ВАХ для линейной

АЛ. Оптические и люминесцентные свойства облученных широкозонных полупроводников...

Интегрированный урок как средство формирования...

Тема урока: «Электротехника» — Снятие вольт-амперной характеристики нелинейных элементов.

«Основы электроники». Работа с характеристиками ВАХ, определение. 4. Применение расчетных формул законов Ома, Кирхгофа.

Характеристики модулей, использованных вэксперименте

На рис. 5 показаны характеристика вольтамперных кривых простейших ФЭ элементов который, показаны на рис. 3, состоящего из

Ток насыщения диода определяется следующим выражением (2) [4]: (2). где Eg –ширина запрещенной зоны полупроводника, аIo,STC...

Температурная стабилизация измерительного генератора шума

В работе [1] показано, что если ток диода I предполагается заданным (диод питается от

Само напряжение пробоя Uпр(T) зависит от температуры Т линейно в широком интервале

На рис.1 показана типичная обратная ветвь ВАХ лавинного диода, снятая по точкам.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Расчет эквивалентного сопротивления управляемого пассивного...

...параметром сопротивление полупроводникового элемента полуволнового вибратора.

,(1). где I0 — обратный ток насыщения диода, I — значение прямого тока, e — заряд

ветви вольт-амперной характеристики, показанной на рис. 4. Величина барьерной емкости при...

Оксидно-цинковые варисторы с повышенной тепловой...

Одной из главных характеристик варистора является вольтамперная (ВАХ). Ее можно разделить на три области: область малых токов, область нелинейности и область высоких токов (рис

ВАХ в этой области линейна, управляется состоянием границ зерен и их емкостью.

Теоретический анализ полупроводниковых резистивных цепей

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика. ВАХ диода можно получить экспериментально или по справочным данным для данного полупроводникового элемента.

Разработка высокочувствительного сенсора температуры на...

Для изучения вольт-амперных характеристик p-i-n- диода, на обе поверхности кристалла наносились металлические контакты.

Uпр=f(Т) — не линейна. В результате проведения второго этапа ионной имплантации и отжига зависимость Uпр=f(Т) становится линейной в...

Анализ влияния структуры излучающего р-n-перехода...

...вольтамперных, вольт-фарадных и световых характеристик, например, при облучении.

из р+, p(n) и n+-областей p+-p(n)-n+-структуры от тока на различных участках ВАХ для линейной

АЛ. Оптические и люминесцентные свойства облученных широкозонных полупроводников...

Интегрированный урок как средство формирования...

Тема урока: «Электротехника» — Снятие вольт-амперной характеристики нелинейных элементов.

«Основы электроники». Работа с характеристиками ВАХ, определение. 4. Применение расчетных формул законов Ома, Кирхгофа.

Характеристики модулей, использованных вэксперименте

На рис. 5 показаны характеристика вольтамперных кривых простейших ФЭ элементов который, показаны на рис. 3, состоящего из

Ток насыщения диода определяется следующим выражением (2) [4]: (2). где Eg –ширина запрещенной зоны полупроводника, аIo,STC...

Температурная стабилизация измерительного генератора шума

В работе [1] показано, что если ток диода I предполагается заданным (диод питается от

Само напряжение пробоя Uпр(T) зависит от температуры Т линейно в широком интервале

На рис.1 показана типичная обратная ветвь ВАХ лавинного диода, снятая по точкам.

Задать вопрос