Влияние глубоких энергетических уровней на коэффициент газовой чувствительности кондуктометрических сенсоров газов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Южный федеральный университет

Влияние глубоких энергетических уровней на коэффициент газовой чувствительности кондуктометрических сенсоров газов

С.А. Богданов,

А.Г. Захаров,

Ю.Б. Какурин

Ростов-на-Дону, 2015

Решение задач повышения адсорбционной чувствительности и селективности невозможно без интенсивного исследования методов формирования и особенностей структуры полупроводниковых чувствительных слоев (ЧС) кондуктометрических сенсоров газов [1]. В работах [2, 3] рассмотрено влияние электроискровой обработки поверхности полупроводникового чувствительного слоя сенсора газа на его электрофизические свойства, в [4] проведено моделирование коэффициента газовой чувствительности (ГЧ) кондуктометрических сенсоров газов на основе оксидов металлов, в приближении квазиоднородности полупроводникового материала ЧС, в [5] разработана методика прогнозирования ГЧ кондуктометрических сенсоров с ЧС на основе неоднородных полупроводников, учитывающая размеры кристаллических зерен материала ЧС.

Целью настоящей работы является разработка методики прогнозирования коэффициента газовой чувствительности кондуктометрических сенсоров с ЧС на основе полупроводников с глубокими энергетическими уровнями (ГУ) в запрещенной зоне.

Коэффициент ГЧ кондуктометрического сенсора газа определим как отношение приращения абсолютной величины сопротивления () ЧС, обусловленного появлением анализируемого газа, к его величине в воздушной среде без анализируемого газа

. (1)

Для определенности рассмотрим ЧС на основе полупроводника n-типа проводимости, поверхность которого отрицательно заряжена вследствие химической адсорбции анализируемого газа-акцептора и других фоновых газов и электрически-активных дефектов [6].

При плотности заряда на поверхности полупроводникового ЧС , концентрации ионизированных атомов основной легирующей примеси и акцепторных ГУ из условия электронейтральности

с учетом выражения для толщины обедненной области [7]

(2)

для величины поверхностного потенциала имеем

. (3)

Сопротивление обедненной основными носителями заряда приповерхностной области ЧС существенно превышает сопротивление электрически нейтрального объема ЧС (), следовательно, сопротивление сенсора газа будет в основном определяться величиной

, (4)

где: - подвижности электронов и дырок в объеме ЧС, соответственно; - концентрации электронов и дырок в объеме ЧС, соответственно; - площадь поперечного сечения электрически нейтрального объема ЧС, - ширина ЧС, - толщина ЧС; - длина ЧС, на границах которого расположены омические контакты кондуктометрического сенсора газов. Концентрации электронов и дырок в объеме ЧС с учетом ГУ, а также концентрации ионизированных ГУ определяются по методикам, приведенным в [7, 8].

Таким образом, появление анализируемого газа приводит к изменению величины плотности заряда на поверхности ЧС с на до значения , влияет на величину поверхностного потенциала (3), обуславливая изменение положения уровня Ферми на поверхности ЧС, а, следовательно, и его хемосорбционные свойства [9, 10], а также модулирует толщину обедненной области (2) и сопротивление сенсора газа (4).

На рис. 1 приведены зависимости энергетического положения уровня Ферми и коэффициентов газовой чувствительности от энергетического положения акцепторного ГУ относительно дна зоны проводимости, для кондуктометрического сенсора газа с ЧС на основе полупроводникового материала n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны 3,5 эВ, диэлектрической проницаемостью , концентрациями ионизированных атомов основной легирующей примеси и акцепторных ГУ , подвижностью электронов и дырок . Температура ЧС составляла 500 К. Кривые 1, 2 - коэффициенты газовой чувствительности для ЧС толщиной и , соответственно. Кривая 3 - энергетическое положение уровня Ферми, эВ. Расчет в (1) по (4) проводился для плотности заряда на поверхности ЧС , расчет сопротивления ЧС при появлении газа-акцептора осуществляли для , т.е. для плотности заряда, обусловленного адсорбцией газа-акцептора, равной [11].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. - Зависимости энергетического положения уровня Ферми и коэффициентов газовой чувствительности от энергетического положения акцепторного ГУ

В результате моделирования установлено, что глубокие энергетические уровни могут приводить к существенному увеличению коэффициента газовой чувствительности, а также влиять на хемосорбционные свойства чувствительного слоя. Разработанная методика прогнозирования коэффициента газовой чувствительности может быть использована при оптимизации технологических режимов формирования кондуктометрических сенсоров газов с ЧС на основе полупроводников с глубокими энергетическими уровнями в запрещенной зоне.

Работа выполнена при поддержке государственного задания Министерства образования РФ (тема № 213.01 - 11/2014 - 14).

чувствительность кондуктометрический сенсор газ

Литература

1. Гаман В.И. Физика полупроводниковых газовых сенсоров. Томск: НТЛ, 2012. 112 с.

2. Богданов С.А., Захаров А.Г., Писаренко И.В. Влияние электроискровой обработки поверхности полупроводникового чувствительного слоя сенсора газа на его электрофизические свойства // Электронная обработка материалов. 2014. № 6. С. 1-5.

3. Богданов С.А., Захаров А.Г., Писаренко И.В. Модификация поверхности чувствительного слоя сенсора газа электроискровой обработкой // Инженерный вестник Дона, 2013, № 1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1528.

4. Богданов С.А., Захаров А.Г., Лытюк А.А. Моделирование газовой чувствительности кондуктометрических сенсоров газов на основе оксидов металлов // Нано- и микросистемная техника. 2011. № 1. С. 12-14.

5. Богданов С.А. Моделирование газовой чувствительности кондуктометрических сенсоров на основе неоднородных полупроводников // Нано- и микросистемная техника. 2013, № 9. С. 2-6.

6. Barsan, N. and U. Weimar, 2003. Understandig the fundamental principles of metal oxide based gas sensors; the example of CO sensing with SnO₂ sensors in the presence of humidity. J. Phys.: Condens. Matter, 15: 813-839.

7. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1973. 656 с.

8. Богданов С.А., Захаров А.Г., Писаренко И.В. Влияние многозарядных примесных центров на распределение потенциала в приповерхностной области полупроводника // Инженерный вестник Дона, 2013, № 1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1530.

9. Захаров А.Г., Богданов С.А., Лытюк А.А. Прогнозирование положения уровня Ферми в полупроводнике чувствительного слоя сенсора газа // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2011. № 4. С. 34-36.

10. Волькенштейн Ф.Ф. Электронные процессы на поверхности полупроводников при хемосорбции. М.: Наука, 1987. 432 с.

11. Weiz, P.B., 1953. Effect on electronic charge transfer between adsorbate and solid on chemisorptions and catalysis. J. Chem. Phys., 21: 1531-1538.

References

1. Gaman V.I. Fizika poluprovodnikovykh gazovykh sensorov [Physics of semiconductor gas sensors]. Tomsk: NTL, 2012. 112 p.

2. Bogdanov S.A., Zakharov A.G., Pisarenko I.V. Elektronnaya obrabotka materialov. 2014. № 6. pp. 1-5.

3. Bogdanov S.A., Zakharov A.G., Pisarenko I.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1528.

4. Bogdanov S.A., Zakharov A.G., Lytyuk A.A. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2011. № 1. pp. 12-14.

5. Bogdanov S.A. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2013. № 9. pp. 2-6.

6. Barsan, N. and U. Weimar, 2003. J. Phys.: Condens. Matter, 15: 813-839.

7. Zi S.M. Fizika poluprovodnikovykh priborov [Physics of Semiconductor Devices]. M.: Energiya, 1973. 656 p.

8. Bogdanov S.A., Zakharov A.G., Pisarenko I.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1530.

9. Zakharov A.G., Bogdanov S.A., Lytyuk A.A. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskiy region. 2011. № 4. pp. 34-36.

10. Vol'kenshteyn F.F. Elektronnye protsessy na poverkhnosti poluprovodnikov pri khemosorbtsii [Electronic processes on semiconductor surfaces when chemisorption]. M.: Nauka, 1987. 432 p.

11. Weiz, P.B., 1953. J. Chem. Phys., 21: 1531-1538.

Аннотация

Разработана методика прогнозирования коэффициента газовой чувствительности кондуктометрических сенсоров с чувствительным слоем на основе полупроводника с глубокими энергетическими уровнями в запрещенной зоне. В результате моделирования установлено, что глубокие энергетические уровни могут приводить к существенному увеличению коэффициента газовой чувствительности, а также влиять на хемосорбционные свойства чувствительного слоя.

Ключевые слова: кондуктометрический сенсор газа, газовая чувствительность, чувствительный слой, полупроводник, глубокие энергетические уровни.

Размещено на Allbest.ru