Вы здесь

Мікроелектронні частотні перетворювачі концентрації газу

Автор: 
Прокопова Марія Олександрівна
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2005
Артикул:
3405U003997
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РОЗДІЛ 2
МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ СЕНСОРІВ НА ОСНОВІ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ОКИСІВ МЕТАЛА
Вже в 1954 році німецьким вченим Найладом [101] було встановлено, що в оксидних напівпровідниках під дією газу на поверхні змінюється електрична провідність. На основі такого ефекту можна реалізувати велику кількість резистивних сенсорів для найрізноманітнішого застосування. Залежність зміни провідності від молекулярної концентрації хімічної речовини може приймати в напівпровідникових штучних елементах значний порядок величини, при цьому особливо підходять для застосування слідуючі напівпровідникові оксиди металів (Таб. 2.1).
Таб.2.1
Напівпровідникові оксиди металів для використання в газових сенсорах [15]
Гази, що визначаютьсяОксиди у відповідних напівпровідникових сенсорахІнші вуглеводніГалогени
При каталітичному окислюванні газами, такими як чи , що виступають як гази окислювачі, на поверхні твердого тіла ефективно збільшується позитивна валентність адсорбційного комплексу, тому що при реакції на тверду поверхню віддаються електрони. У наслідок чого збільшується концентрація електронів на поверхні, що приводить до того, що в напівпровідниках з n - типом провідності заряд виникає завдяки процесу збагачення, а в напівпровідниках з p - типом провідності завдяки збідненню [15].
У залежності від сил, що зв'язують адсорбційні частинки з поверхнею напівпровідника, має місце фізична та хімічна адсорбція. Фізична адсорбція визначається силами електростатичного походження (сили Ван-дер-Ваальса, сили електричного зображення), і енергія зв'язку в цьому випадку складає величину порядку 0,01-0,1еВ. Хімічна адсорбція виникає, коли адсорбовані молекули зв'язані з напівпровідником силами обмінного типу. В силу цього енергія зв'язку при хемосорбції значна та досягає 1еВ. Отже, в наслідок адсорбції газу в напівпровіднику виникають додаткові поверхневі стани. Енергетичні рівні поверхневих станів звичайно розташовуються в забороненій зоні значно нижче дна зони провідності чи вище валентної зони [102].
Поверхневий заряд притягує носій з об?єму напівпровідника в приповерхневу область. В наслідок цього виникає подвійний заряджений шар. Наявність у напівпровідника поверхневого заряду змінює його енергетичну схему в приповерхневій області.
2.1. Фізичний механізм утворення приповерхневого шару об'ємного заряду у напівпровідниках
Роздивимось утворення приповерхневого шару об?ємного заряду на прикладі електронного напівпровідника, на поверхні якого існують донорні рівні , розташовані вище рівня Фермі в об?ємі матеріалу. Електрони зони провідності будуть прагнути заповнити поверхневі стани. Якщо густина поверхневих станів , то при заповнені всіх поверхневих станів на кожній одиниці площі поверхні виникає від?ємний заряд, що дорівнює -. В при поверхневому шарі при цьому з?являється збіднений електронами шар, що володіє додатнім просторовим зарядом, і виникає електричне поле, направлене до поверхні напівпровідника. Наявність електричного поля в при поверхневому шарі напівпровідника призводить до вигину енергетичних зон поблизу поверхні напівпровідника.
Якщо в результаті наявності поверхневих станів зони електронного напівпровідника вигинаються вниз, то утворюється область збагачення (рис.2.1). В цьому випадку концентрація основних носіїв у поверхні більше, чим в об?ємі [102].
Рис.2.1 Енергетична діаграма приповерхневої області напівпровідника n-типу у випадку збагачення
У напівпровідників p - типу збіднення спостерігається у випадку, якщо на поверхні захоплюються дірки та зони вигинаються вниз.
Для виготовлення адсорбційних сенсорів здебільшого використовуються металооксидні напівпровідники - і -типу. Найважливішою їхньою особливістю є експонентне збільшення їхньої провідності з ростом температури і невисока вибірковість до різних газів. Шляхом вибору оптимальної робочої температури сенсора, легування напівпровідника різними домішками, відхиленням складу окисла від стехіометрії, спільним спіканням різних оксидів, варіацією дисперсністю матеріалу, структурою і складами поверхневого шару вдається різко збільшити чутливість, швидкодію і вибірковість сенсора до того чи іншого газу газового середовища [8].
Сенсори з металлоксидних напівпровідників звичайно одержують шляхом змішування щонайменше одного оксиду металу у виді порошку зі сполучними матеріалами до утворення пасти. Сенсорам надають форму прямокутного тіла, таблетки, циліндра чи кульки, у якому в більшості випадків розміщаються і нагрівач, і електричні виводи.
Технологія виготовлення сенсорів близька до технології термісторів, резисторів, тобто для кожного матеріалу підбираються оптимальний режим віджигу і термообробки, що забезпечують на відміну від звичайної кераміки в ряді випадків пористу структуру для збільшення поверхні, що контактує з газом. Оскільки температури отжигу і термообробки, як правило високі, то матеріали для електродів вибираються у вигляді спіралі з чи їхніх сплавів. Метали та їхні сплави у визначених вагових відносинах іноді додаються до складу шихти як каталізатори. Напівпровідникова шихта може складатися із суміші окислів декількох металів (у різних вагових відносинах). При введенні малих концентрацій одного металу в ґрати іншого основного металлоксиду перші атоми часто виступають у якості домішкових. Змінюючи склад вихідної шихти і режими термообробки можна збільшити селективність основного окислу до того чи іншого газу, зменшити температуру нагрівання робочого тіла, що необхідно для одержання достовірної інформації, зниження споживаної сенсором електричної потужності та збільшення надійності датчика [8].
З перспективних для створення газових сенсорів матеріалів особливе місце займає двоокис олова. Аналіз літератури показує, що на основі цього матеріалу шляхом його легування різними металами спікання з їхніми окислами, отримані сенсори для практично всіх найважливіших газів. Так, наприклад, введення одного зі шляхетних чи рідких металів збільшувало чутливість до газів, що містять вуглець та водень (