РАСЧЕТ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ГАЗОВОГО ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ МДП - ТРАНЗИСТОРА Шамин А.А.,Головяшкин А.Н.

Пензенский государственный университет


Номер: 8-1
Год: 2014
Страницы: 57-61
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

газовый сенсор, чувствительность, затвор, золь-гель, gas sensor, sensitivity, gate, sol-gel

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Статья посвящена моделированию газочувствительного элемента на основе МДП - транзистора. Работа содержит: расчет электрофизических параметров газового сенсора.

Текст научной статьи

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 [1-3]. Для этого используют газовые датчики, представляющие 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-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 [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 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. 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.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.