Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Посмотреть оригинал

Датчики на основе МДП-структур

Исследования показали, что МДП-структуры, металлический электрод которых выполнен из переходных металлов (палладий, платина, никель) меняют свои характеристики под действием газов [23]. При этом в МДП- конденсаторах наблюдается сдвиг ВФХ вдоль оси напряжения без изменения её формы, а в МДП-транзисторах — изменение порогового напряжения и как следствие сдвиг ВАХ. Например, при введении в среду газообразного водорода у МДП-структур с затворами из палладия на поверхности протекает каталитичсская реакция диссоциации адсорбированных молекул водорода на атомы, которые затем растворяются в палладии и под действием градиента концентрации диффундируют к границе раздела Pd-Si02, где вследствие реакции Н-^Н' + е образуется дипольный слой, ионы располагаются на активных центрах границы раздела Pd - Si02, а электроны остаются в палладии. Таким образом в диэлектрике появляется дополнительный заряд, который приводит к сдвигу ВФХ, изменению напряжения плоских зон и порогового напряжения.

Существует несколько конструкций датчиков химического состава на основе МДП-структур, некоторые из них приведены ниже.

Дифференциальный датчик водорода на МДП-транзисторе имеет вид, представленный на рис.47. На одном кристалле формируются два МДП- транзистора, отличающиеся лишь материалом металлического затвора, на- греватель и датчик температуры (полупроводниковый диод).

Слой Si02 получен термическим окислением, Si3N4 (50 нм) - осаждением из газовой фазы, слои платины (50 нм) и палладия (50 нм) напыляются через металлическую маску. Чтобы обеспечить нечувствительность одного из МДП-транзисторов к изменению концентрации водорода в среде, сверху палладия нанесён слой (1 мкм) металла, не поглощающего водород (Al, Ni, Си, Аи, Ag). На выходе дифференциальной схемы измеряется величина изменения порогового напряжения AUnop.

Другой конструкцией датчика химического состава является МДП- транзистор с сеточным (перфорированным) затвором, прсдставлсный на рис.48.

Диаметр пор в палладиевой плёнке 1.5-3.0 мкм. Слой окиси палладия формируется либо распылением палладия в атмосфере Аг+02, либо термическим окислением при температуре 473—673К. Для уменьшения водородной чувствительности приборов на слой палладия наносят тонкий слой А1. По сравнению с датчиками СО на основе Sn02 резистора разработанные приборы имеют в 6 раз большую чувствительность в атмосфере СО/этанол, в 7 раз - СО/бутан и в 12 раз - СО/метан, однако они имеют низкую скорость отклика (1-2 мин).

Датчики, чувствительные к NH3 и N02, могут быть изготовлены на основе МДП-транзистора с двухэлементным диэлектриком, верхний слой которого изготовлен из органически модифицированных силикатов. Для того, чтобы обеспечить доступ исследуемого газа к слою силиката, металлический затвор должен быть либо пористым (слой золота 10 нм), либо расщепленным (рис.49), либо зигзагообразным. Принцип действия датчика основан на изменении диэлектрической проницаемости силиката при адсорбции газов, следствием чего является сдвиг порогового напряжения МДП-транзистора.

Датчик на твердом электролите

Рис.46. Датчик на твердом электролите: 1- сапфировая подложка; 2- твердый электролит; 3- электрод сравнения; 4 и 5- рабочие электроды; 6- защитное покрытие; 7- отверстие для подвода исследуемого газа; 8- нагреватель; 9- выводы нагревателя

Дифференциальный датчик водорода на МДП-транзисторе

Рис.47. Дифференциальный датчик водорода на МДП-транзисторе: 1 Si подложка; 2 — слой Si02; 3 — слой Si3N4; 4 — платина; 5 — палладий; 6 — медь; 7 — серебро; 8 — общий исток; 9 — сток первого МДП- транзистора; 10 — сток второго МДП-транзистора; 11 — охранные кольца; 12 — нагреватель

Датчик СО на основе МДП-транзистора с сеточным затвором

Рис.48. Датчик СО на основе МДП-транзистора с сеточным затвором: 1 — слой Si02; 2 — слой палладия; 3 — слой РсЮ

Если между двумя половинами расщепленного затвора МДП- транзистора поместить резистивный слой (например, полимер), то получится прибор, называемый транзистором с растеканием заряда (charge-blow transistor). Такой датчик работает в динамическом режиме. При подаче напряжения затвор-исток сначала заряжается ёмкость под затвором, затем ёмкость под резистивным слоем. Постоянная времени заряда емкости под резистивным слоем зависит от сопротивления резистивной плёнки, толщины и длины резистивной части затвора, а также от диэлектрической проницаемости и толщины затворного диэлектрика. Обычно измеряют время задержки импульса тока, при приложении прямоугольных импульсов между затвором и истоком.

Существует конструкция газового датчика, у которого в качестве диэлектрика используется воздушный зазор (рис.50). Попадая в зазор между поверхностью полупроводника и поликремниевым затвором, газ может менять либо диэлектрическую проницаемость в зазоре, либо, адсорбируясь на поверхность подложки или поликремниевого затвора, формировать дипольный слой, что приводит к изменению порогового напряжения транзистора.

Данный прибор получил название «транзистор с доступом к поверхности» (surface-accessible transistor). Толщина поликремния должна быть не менее 1 мкм. Оптимальная глубина зазора 4 мкм получается травлением затворного окисла в буферном травителе.

Главным недостатком такого прибора является низкая селективность, т.е. реагирование на суммарное количество полярных газов в зазоре.

В другом варианте газового датчика с воздушным зазором применяют перфорированный (сетчатый) платиновый затвор, который для повышения чувствительности электролитически покрывают тонким слоем металла (палладий, свинец, цинк) либо полипиролла (рис.51).

Этот прибор называется "транзистор с подвешенным затвором" (suspended-gate transistor). Исследуемый газ проникает в полость пол затвором и взаимодействует с его внутренней поверхностью, покрытой чувствительным слоем. В результате происходит изменение работы выхода материала затвора и сдвиг порогового напряжения. Такой прибор используется для регистрации паров спиртов и компаундов.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы