CC BY
38
Шамин А.А.1, Головяшкин А.Н.2 ©
'Студент; 2к.т.н., доцент,
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
РАСЧЕТ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ГАЗОВОГО ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ МДП
- ТРАНЗИСТОРА
Аннотация
Статья посвящена моделированию газочувствительного элемента на основе МДП -транзистора. Работа содержит: расчет электрофизических параметров газового сенсора.
Ключевые слова: газовый сенсор, чувствительность, затвор, золь-гель.
Keywords: gas sensor, sensitivity, gate, sol-gel.
Современная наука находится на таком уровне развития, что малейшая ошибка в техно -логических условиях может привести не только к неудовлетворительным результатам работы, но и к угрозе жизни человека. В связи с этим особое внимание уделяют контролю за концентра -цией газов в рабочем помещении [1-3]. Для этого используют газовые датчики, представляю -щие собой совокупность газового сенсора и анализатора. Существует большое количество типов датчиков (электрически, полупроводниковые, оптические) [4-7]. Большой интерес представляют исследования газовых сенсоров, выполненных на основе тривиального МДП-транзи -стора с индуцированным каналом, у которого затвор представляет собой пленку полупроводни -кового 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 [8-10].
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 <isnO2=100 мкм. Исток соединен с подложкой. Толщина подзатвороного диэлектрика dox = 50 нм- Длина и ширина канала L = W= 100 мкм. Уровень легирования подложки X = 1000 > Ь следовательно, подложка легирована акцепторами.
Рассчитаем контактную разность потенциалов:
(DE ^
K
H - A + Sn
■* - kkTlnl
2
: -0,068 В,
(1)
e
© Шамин А.А., Головяшкин А.Н., 2014 г.
где &Eg = 1,12 эВ - ширина запрещенной зоны кремния; ASn = 4,5 эВ - работа выхода электрона из диоксида олова; Н = 4,15 эВ -энергия сродства к электрону; е= 1,6-Ю19^1 - заряд электрона; k = 1,38 1023 Дж/К - постоянная Больцмана; T = 300 K - рабочая температура. Емкость подзатворного диэлектрика:
С =
^ ox
808SiO2 „мкФ
- = 690
d„
2 ’
(2)
где £о = 8,85 10-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная; eSiO2 = 3,9 - диэлектрическая проницаемость диоксида кремния.
Теперь рассчитаем напряжение плоских зон:
eN в
-0,16 B, (3)
Vn3 = _VK
внутр
C
ox
где = 1015 м-2 - плотность поверхностных состояний на границе полупроводник -диэлектрик.
Для того, чтобы сенсор начал детектировать газ необходимо приложить напряжение, равное:
Q.~ кт
Vt = Vra+ ys — = 0,212 B,
Ce
(4)
где ys = 2ln(X) = 13,81 - потенциал в области поверхностного заряда. Найдем поверхностную плотность заряда.
^ т „ ч ,„мкКл
Qsc = 2eniLDF(ys ) = -13-2 , (5)
м
Где L
D
eSi e 0 кТ
----2—Т~ = 24мкм - длина Дебая;
2е 2 n 2
F(y) = -[( X-1(eys-1)+ X(e~ys-1)+ ys(X+ X-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:
„ „ тг А1.,нКл
Qi = CoxVT =0146 2 . (6)
мм
Собственная плотность заряда на поверхности:
Qi 1Л9 1
N„ = ^ = 0.91 109
2 '
e мм"
Рассчитаем плотность адсорбированного заряда в зависимости от концентрации газа:
-9 1
Nadc =a p ' Ns ■ F
0.404 10-
s * Ф-Д “• ■ “ ■ " “ 2 ’
мм
(7)
(8)
где a = 10"22 1/Па - коэффициент; p = 0... 10"3 Па - давление газа; Ns = 8.1 • 1018 см"2 - плот-
1_____
функция распределения частиц Ферми -
рф_ =
ность адсорбционных центров; 1 e( Ef ~Ea )+1
— • e 2
кТ
Дирака, характеризующая вероятность адсорбции; EF - энергия Ферми для олова; EA - энергия акцепторного уровня олова.
Рассчитанные значения плотности адсорбированного заряда приведены в таблице 1. Напряжение на затворе, вызванное адсорбцией частиц, рассчитывается следующим образом:
N.
V =b
затвор г
С
= 585мВ
(9)
где в = 1 Кл - коэффициент.
Остальные значения напряжений на затворе сведены в таблицу 1.
Рассчитаем крутизну заданного газового сенсора для первого напряжения затвора:
W ( , „ кТ
S mnsCox L
V
затвор
VПЗ
-ys------------V
e
подложка
КУоп | = 2 -10 5 Ом 1
(10)
где Уподложка = 0 В - напряжение подложки; e 0eSi e1ni
- коэффициент;
К =
C2
^ г.
1
■ VПЗ - Vположа ) - 1) - опорное напряжение;
V = (J1 + (2 •-) - (V
оп УЛ1 v к^ v затв
pns = 800-10-4 м2/с-В - поверхностная подвижность; sSi = 11,7 - диэлектрическая проницаемость кремния.
Ток стока для первого напряжения определим из следующего выражения:
Г
S = 8.246мкА
(11)
Аналогичным образом рассчитаем ток стока для случая, когда Ns = 21019 см-2 , по формулам 8-11. Полученные графики изображены на рисунке 2.
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 [11-13], 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.
