Моделирование чувствительности газового сенсора на основе МДП-транзистора | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №9 (68) июнь-2 2014 г.

Дата публикации: 16.06.2014

Статья просмотрена: 148 раз

Библиографическое описание:

Шамин А. А., Головяшкин А. Н. Моделирование чувствительности газового сенсора на основе МДП-транзистора // Молодой ученый. — 2014. — №9. — С. 228-231. — URL https://moluch.ru/archive/68/11712/ (дата обращения: 17.07.2018).

Современная наука находится на таком уровне развития, что малейшая ошибка в технологических условиях может привести не только к неудовлетворительным результатам работы, но и к угрозе жизни человека. В связи с этим особое внимание уделяют контролю за концентрацией газов в рабочем помещении [1–8]. Для этого используют газовые датчики, представляющие собой совокупность газового сенсора и анализатора. Существует большое количество типов датчиков (электрически, полупроводниковые, оптические) [9–15]. Большой интерес представляют исследования газовых сенсоров, выполненных на основе тривиального МДП-транзистора с индуцированным каналом, у которого затвор представляет собой пленку полупроводникового оксида. Благодаря тому, что затвор отключен от электрической цепи, он выступает в роли агрегатора, адсорбирующего на своей поверхности заряд. Материал затвора выбирается таким образом, чтобы на его поверхности могла происходить хемосорбция газов, приводящая к изменению потенциала и, соответственно, ширине индуцированного канала. В зависимости от плотности адсорбированного заряда будет наблюдаться изменение потенциала на затворе, приводящее, в свою очередь, к изменению тока в цепи стока. По его величине возможно определение концентрации газа-анализатора в атмосфере [15–22].

Рис. 1. Структура газового сенсора на основе МДП-транзистора с индуцированным каналом

Структура газового сенсора на основе МДП — транзистора с индуцированным каналом изображена на рисунке 1. В качестве материала затвора используется оксид олова SnO2. Толщина пленки dSnO2=100 мкм. Исток соединен с подложкой. Толщина подзатвороного диэлектрика dox= 50 нм Длина и ширина канала L= W= 100 мкм. Уровень легирования подложки λ = 1000 > 1 следовательно, подложка легирована акцепторами.

Рассчитаем контактную разность потенциалов:

                                                        (1)

где Eg = 1,12 эВ — ширина запрещенной зоны кремния; ASn = 4,5 эВ– работа выхода электрона из диоксида олова;H= 4,15 эВ — энергия сродства к электрону;e = 1,6·1019  — заряд электрона; k = 1,38·1023 Дж/К — постоянная Больцмана; T = 300 K — рабочая температура.

Емкость подзатворного диэлектрика:

                                                                                     (2)

где ε0 = 8,85·10–12 Ф/м — диэлектрическая постоянная; εSiO2 = 3,9 — диэлектрическая проницаемость диоксида кремния.

Теперь рассчитаем напряжение плоских зон:

                                                                           (3)

где Nвнутр = 1015 м-2 — плотность поверхностных состояний на границе полупроводник — диэлектрик.

Для того, чтобы сенсор начал детектировать газ необходимо приложить напряжение, равное:

                                                                     (4)

где ys= 2ln(λ) = 13,81 — потенциал в области поверхностного заряда. Найдем поверхностную плотность заряда.

,                                                                         (5)

Где  = 24мкм — длина Дебая;

F(ys)= — [(λ-1(eys-1)+ λ(e-ys-1)+ys(λ+ λ-1)]1/2 = -117,5;

ni= 1,45·1016 м-3 — собственная концентрация свободных носителей заряда.

Плотность адсорбированного заряда, при котором на затворе появится потенциал, равна:

.                                                                                        (6)

Собственная плотность заряда на поверхности:

.                                                                                           (7)

Рассчитаем плотность адсорбированного заряда в зависимости от концентрации газа:

,                                                                 (8)

где α = 10–22 1/Па — коэффициент; p = 0…10–3 Па — давление газа; Ns = 8.1·1018 см-2 — плотность адсорбционных центров;  — функция распределения частиц Ферми — Дирака, характеризующая вероятность адсорбции; EF — энергия Ферми для олова; EА — энергия акцепторного уровня олова.

Рассчитанные значения плотности адсорбированного заряда приведены в таблице 1.

Напряжение на затворе, вызванное адсорбцией частиц, рассчитывается следующим образом:

,                                                                                          (9)

где β = 1 Кл — коэффициент.

Остальные значения напряжений на затворе сведены в таблицу 1.

Рассчитаем крутизну заданного газового сенсора для первого напряжения затвора:

,         (10)

где Vподложка= 0 В — напряжение подложки;

 — коэффициент;

– опорное напряжение;

µns= 800·10–4 м2/с·В — поверхностная подвижность;

εSi= 11,7 — диэлектрическая проницаемость кремния.

Ток стока для первого напряжения определим из следующего выражения:

,                                                                                      (11)

Аналогичным образом рассчитаем ток стока для случая, когда Ns = 2·1019 см-2, по формулам 8–11. Полученные графики изображены на рисунке 2.

Описание: http://cs618525.vk.me/v618525202/9ccf/3K1VXT-YIcQ.jpg

Рис. 2. Графики зависимости тока стока от количества адсорбционных центров

Таким образом, проанализирована работа МДП-транзистора в режиме газового сенсора с затвором, выполненным из диоксида олова. Предложенная модель, описывающая зависимость сенсорного отклика прибора от концентрации газа-анализатора в атмосфере, в первом приближении объясняет характер экспериментальных зависимостей [23–30], представленных в литературных источниках и может быть использована при проектировании современных сенсоров.

Литература:

1.         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;

2.         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;

3.         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;

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

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

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

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

8.         Мошников В. А., Грачёва И. Е., 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;

9.         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, № 11, 2011 год, с. 27–30;

10.     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. — 24–27;

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

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

13.     Аверин И. А., Пронин И. А., Якушова Н. Д., Горячева М. В. Особенности вольтамперных характеристик газовых сенсоров резистивного типа в мультисенсорном исполнении // Датчики и системы. 2013. № 12. С. 12–16;

14.     Якушова Н. Д., Димитров Д. Ц. Чувствительность переходов ZnO/ZnO:Fe к этанолу // Молодой ученый. 2013. № 5. С. 26–28;

15.     Грачева И. Е., Мошников В. А., Гареев К. Г. Исследование магнитных пленочных нанокомпозитов и порошков ксерогелей, синтезированных золь-гель методом // Физика и химия стекла. 2013. Т. 39. № 3. С. 460–472;

16.     Богачев Ю. В., Гареев К. Г., Матюшкин Л. Б., Мошников В. А., Наумова А. Н. Исследование суспензии наночастиц магнетита методами фотометрии и ЯМР-релаксометрии // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. № 12. С. 2313–2317.;

17.     Грачева И. Е., Максимов А. И., Мошников В. А. Анализ особенностей строения фрактальных нанокомпозитов на основе диоксида олова методами атомно-силовой микроскопии и рентгеновского фазового анализа // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. № 10. С. 16–23;

18.     Пронин И. А., Аверин И. А., Димитров Д. Ц., Мошников В. А. Чувствительность переходов ZnO-ZnO:Fe к парам этанола // Датчики и системы. — 2013. — № 6. — С. 60–63;

19.     Аверин И. А., Пронин И. А., Карманов А. А. Исследование газочувствительности сенсоров на основе наноструктурированных композиционных материалов SiO2-SnO2 // Нано- и микросистемная техника. — 2013. — № 5. — С. 23–26;

20.     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;

21.     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;

22.     Махин А. В., Мошников В. А. Рентгеноспектральныи микроанализ полупроводниковых твердых растворов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 1988. № 395. С. 94–98;

23.     Moshnikov V. A., Gracheva I., Lenshin A. S., Spivak Y. M., Anchkov M. G., Kuznetsov V. V., Olchowik J. M. Porous silicon with embedded metal oxides for gas sensing applications // Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. Т. 358. № 3. С. 590–595.

24.     Якушова Н. Д. Модифицирование селективных и газочувствительных свойств сенсоров путем легирования // Молодой ученый. 2013. № 8. С. 32–34;

25.     Pronin I. A., Goryacheva M. V. Principles of structure formation and synthesis models of produced by the sol-gel method SiO2-MexOy nanocomposites // Surface and Coatings Technology. — 2013. — V. 235. — PP. 835–840;

26.     Igor A. Pronin, Dimitre Tz. Dimitrov, Ludmila K. Krasteva, Karolina I. Papazova et al. Theoretical and experimental investigations of ethanol vapour sensitive properties of junctions composed from produced by sol-gel technology pure and Fe modified nanostructured ZnO thin films // Sensors and Actuators A: Physical. — 2014. — V. 206. — P 88–96;

27.     Len'shin A. S., Kashkarov V. M., Spivak Yu.M., Moshnikov V. A. Study of electronic structure and phase composition of porous silicon // Glass Physics and Chemistry. 2012. Т. 38. № 3. С. 315–321;

28.     Ильин Ю. Л., Махин А. В., Мошников В. А. Взаимодействие в системах PbTe-In2Te3 И SnTe -In2Te3 Неорганические материалы. 1988. Т. 24. № 6. С. 1043–1045;

29.     Кононова И. Е., Гареев К. Г., Мошников В. А., Альмяшев В. И., Кучерова О. В. Cамосборка фрактальных агрегатов системы магнетит–диоксид кремния в постоянном магнитном поле // Неорганические материалы. 2014. Т. 50. № 1. С. 75;

30.     Крастева Л. К., Димитров Д. Ц., Папазова К. И., Николаев Н. К., Пешкова Т. В., Мошников В. А., Грачева И. Е., Карпова С. С., Канева Н. В. Cинтез и характеризация наноструктурированных слоев оксида цинка для сенсорики // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. № 4. С. 564–569.

Основные термины (генерируются автоматически): адсорбированный заряд, газовый сенсор, индуцированный канал, затвор, изменение потенциала, концентрация газа-анализатора, напряжение, плотность, ток стока.


Похожие статьи

Автоматическое определение фтористого водорода в газовых...

Полупроводниковые сенсоры и анализаторы относятся к наиболее перспективным приборам и установкам для контроля компонентов смеси газов, в частности

Изменение концентрации на входе ППС-НF отмечалось на диаграммной ленте и было взято за началом отсчета времени.

Исследование адсорбционной очистки сточных вод...

С ростом концентрации исследуемых веществ в растворе растет и степень их извлечения.

где k — константа (моль2/кДж2), связанная с энергией адсорбции; ε — потенциал Поляни

Модернизация технологии очистки отходящих газов от очистных сооружений сточных вод...

Расчет порогового напряжения МДП-структуры с учетом...

Основные термины (генерируются автоматически) : пороговое напряжение, ионная имплантация, абсолютное значение, погрешность расчета, основной носитель заряда, объемная концентрация, контактная разность потенциалов, значение напряжения, выражение...

Селективные полупроводниковые сенсоры для определения...

Для контроля концентраций ядовитых, огнеопасных и взрывоопасных газов используют различные типы газовых сенсоров и газоанализаторов [1].

В полупроводниковых газовых сенсорах используется эффект изменения электропроводности полупроводникового...

О нелинейности вольт-амперных характеристик хеморезисторных...

Ток ионов на поверхности сенсорной пленки определяется: js = qμsθNsELD (1). где q — заряд иона; μs–поверхностная подвижность; θ — степень заполнения адсорбционных центров; Ns

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

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

Плотность (концентрация) как заряженных, так и нейтральных частиц. В плазме необходимо достижение высокой концентрации частиц.

тока через газовую среду [2, 3]. Под действием внешних факторов, в частности электрического поля, происходит изменение состояния газа...

Разработка и экспериментально теоретическое исследование...

Проблема контроля газосодержания углеводородных топлив, анализ современных хроматографов и приборов для определения концентрации газов, растворенных, в газонасыщенных и дегазированных жидкостях...

Исследование адсорбционного устройства для осушки попутного...

Эти поры или «ячейки» обладают высокой способностью повторно адсорбировать воду или другие полярные молекулы.

Сравнительный анализ технологий осушки газа при обустройстве газового месторождения Каменномысское-Море.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Автоматическое определение фтористого водорода в газовых...

Полупроводниковые сенсоры и анализаторы относятся к наиболее перспективным приборам и установкам для контроля компонентов смеси газов, в частности

Изменение концентрации на входе ППС-НF отмечалось на диаграммной ленте и было взято за началом отсчета времени.

Исследование адсорбционной очистки сточных вод...

С ростом концентрации исследуемых веществ в растворе растет и степень их извлечения.

где k — константа (моль2/кДж2), связанная с энергией адсорбции; ε — потенциал Поляни

Модернизация технологии очистки отходящих газов от очистных сооружений сточных вод...

Расчет порогового напряжения МДП-структуры с учетом...

Основные термины (генерируются автоматически) : пороговое напряжение, ионная имплантация, абсолютное значение, погрешность расчета, основной носитель заряда, объемная концентрация, контактная разность потенциалов, значение напряжения, выражение...

Селективные полупроводниковые сенсоры для определения...

Для контроля концентраций ядовитых, огнеопасных и взрывоопасных газов используют различные типы газовых сенсоров и газоанализаторов [1].

В полупроводниковых газовых сенсорах используется эффект изменения электропроводности полупроводникового...

О нелинейности вольт-амперных характеристик хеморезисторных...

Ток ионов на поверхности сенсорной пленки определяется: js = qμsθNsELD (1). где q — заряд иона; μs–поверхностная подвижность; θ — степень заполнения адсорбционных центров; Ns

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

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

Плотность (концентрация) как заряженных, так и нейтральных частиц. В плазме необходимо достижение высокой концентрации частиц.

тока через газовую среду [2, 3]. Под действием внешних факторов, в частности электрического поля, происходит изменение состояния газа...

Разработка и экспериментально теоретическое исследование...

Проблема контроля газосодержания углеводородных топлив, анализ современных хроматографов и приборов для определения концентрации газов, растворенных, в газонасыщенных и дегазированных жидкостях...

Исследование адсорбционного устройства для осушки попутного...

Эти поры или «ячейки» обладают высокой способностью повторно адсорбировать воду или другие полярные молекулы.

Сравнительный анализ технологий осушки газа при обустройстве газового месторождения Каменномысское-Море.

Задать вопрос