CC BY
45
Влияние глубоких энергетических уровней на коэффициент газовой чувствительности кондуктометрических сенсоров газов
С.А. Богданов, А.Г. Захаров, Ю.Б. Какурин Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону
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.
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 (|Я - Я0|) ЧС,
обусловленного появлением анализируемого газа, к его величине в воздушной среде без анализируемого газа Я0
5 = . (1)
Яо
Для определенности рассмотрим ЧС на основе полупроводника п-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 Ис1 и акцепторных ГУ N а из условия электронейтральности
дМ5 = д(М, - На )Ж с учетом выражения для толщины обедненной области [7]
Ж
Я (Мс - На )
(2)
для величины поверхностного потенциала ( имеем
А =-чЛ-. (3)
^ 2еео(Мс - N и) ' '
Сопротивление обедненной основными носителями заряда
приповерхностной области ЧС Я5 существенно превышает сопротивление
электрически нейтрального объема ЧС Яь (Я5 >> Яь), следовательно,
сопротивление сенсора газа будет в основном определяться величиной Яь
Яь = -^-), (4)
Я5 —пь +МрьРь)
где: ¡ипЪ, ¡ирЪ - подвижности электронов и дырок в объеме ЧС, соответственно; пь, рь - концентрации электронов и дырок в объеме ЧС, соответственно; £ = d(к - Ж) - площадь поперечного сечения электрически нейтрального объема ЧС, d - ширина ЧС, к - толщина ЧС; Ь - 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 И0 на N до значения
N = Ng + N, 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 Ж (2) и сопротивление сенсора газа Я « ЯЪ (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 п-типа проводимости с шириной запрещенной зоны 3,5 эВ, диэлектрической проницаемостью е = 12, концентрациями ионизированных
17 3
атомов основной легирующей примеси Nd = 10 см и акцепторных ГУ Nta = 9-1016см-3, подвижностью электронов ¡ипЬ = 120 см2/(В• с) и дырок ¡ирЪ = 60 см2/(В• с). Температура ЧС составляла 500 К. Кривые 1, 2 -коэффициенты газовой чувствительности для ЧС толщиной к = 300 нм и к = 600 нм, соответственно. Кривая 3 - энергетическое положение уровня Ферми, эВ. Расчет Я0 в (1) по (4) проводился для плотности заряда на
11 2
поверхности ЧС N = Ы0 = 10 см , расчет сопротивления ЧС при появлении
11 2
газа-акцептора Я осуществляли для N = Ы0 + = 3 -10 см , т.е. для плотности заряда, обусловленного адсорбцией газа-акцептора, равной N = 2-1011 см-2 [11].
Ес~ Ер, эВ 3
II
5
0.6
0.4
-0.4
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
Ес-ЕГа, эВ
-1.2
-1.4
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).
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. Inzenernyj 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. Inzenernyj 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.
