Теоретические основы расчета конструкционных и эксплуатационных параметров химических газовых сенсоров, изготовленных по микроэлектронной технологии

• Автор: Симаков, Вячеслав Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 221 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Твердотельные газовые сенсоры аналитический обзор

1.1. Механизмы и модели газочувствительности сенсорных структур.

1.2. Материалы для изготовления газочувствительных сенсорных структур.

1.3. Конструкции газовых сенсоров

Выводы

Глава 2. Математическое моделирование газовых сенсоров.

2.1. Влияние поверхностного заряда на распределение потенциала

в объеме твердого тела

2.2. Образование поверхностного заряда при хемосорбции газа .
2.3. Баланс потоков частиц на поверхности твердого тела
Выводы
Глава 3. Расчет параметров тонкопленочных химических сенсоров
3.1. Влияние давления газаокислителя на проводимость тонких пленок.
3.2. Влияние параметров тонкой пленки на чувствительность к газуокислителю.
3.3. Влияние параметров тонкой пленки на ее чувствительность к газувосстановителю
3.4. Максимальная чувствительность пленки к газувосстановителю в присутствии газаокислителя.
Выводы .
Глава 4. Получение и свойства тонкопленочных сенсорных структур
4.1. Получение тонких пленок оксида олова и газовые сенсоры на
их основе
4.2. Влияние условий формирования на кристаллическую
структуру тонких пленок оксида олова.
4.3. Свойства газочувствительных сенсорных структур на основе пленок оксида олова
Выводы
Глава 5. Влияние ионных потоков на характеристики сенсорных
структур.
5.1. Зависимость проводимости сенсорной структуры от напряжения.
5.2. Уравнение непрерывности для адсорбированных частиц
5.3. Влияние движения ионов на характеристики тонкопленочных сенсорных структур
Выводы .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


При масштабировании тонкопленочных газовых сенсоров следует учитывать, что для сохранения величины газочувствительности структуры требуется изменение параметров сенсора и режима его работы. Глава 1. При описании процессов взаимодействия адсорбированной частицы с поверхностью полупроводника обычно используют два различных подхода коллективный электронный подход и локальный химический подход. В рамках коллективного подхода обычно рассматривают адсорбированную частицу газа на поверхности полупроводника как примесь акцепторного или донорного типа. Эта примесь характеризуется энергетическим уровнем, лежащим в запрещенной зоне полупроводника и локализованным на поверхности пленки. При изучении адсорбции в рамках локального подхода адсорбированную частицу газа и поверхность полупроводника рассматривают как единую квантовомеханическую систему. На практике для этого применяют методы квантовой химии, например, метод молекулярных орбиталей и кластерный анализ 1,2. Для описания процессов сорбции, с точки зрения коллективного взаимодействия адсорбированных частиц газа с поверхностью полупроводника, наибольшее распространение получили электронная теория хемосорбции 35 и теория граничного слоя 6,7. Хемосоробция частицы на поверхности приводит к образованию локальных уровней в энергетическом спектре кристалла и может происходить с образованием двух видов связи слабой неигральная форма и сильной заряженная форма. При образовании заряженной формы свободный электрон объема, вовлекаясь в химическую связь, локализуется вблизи адсорбированной частицы, что приводит к образованию заряда на поверхности. Таким образом, частица может менять заряд и характер химической связи с поверхностью, оставаясь в адсорбированном состоянии. В теории граничного слоя рассматривается только заряженная форма хемосорбции. При этом нейтральная форма адсорбции либо вовсе не рассматривается, либо отождествляется с физической адсорбцией. Одним из важнейших выводов теории граничного слоя является утверждение о существовании ограничения на заполнение поверхности адсорбированными частицами, известное как ограничение Вейца 6. Ограничение Вейца предсказывает максимальное заполнение поверхности адсорбированными частицами примерно на 1 от общего числа поверхностных состояний при адсорбции частиц газа в один монослой. Учет существования слабой формы хемосорбции в электронной теории снимает ограничение на общее заполнение поверхности частицами 5, но ограничение на заполнение заряженными формами при этом сохраняется 8. При работе с экспериментальными данными разницу между двумя теоретическими подходами часто не удается установить 9. Обе теории предсказывают влияние концентрации ионизованных доноров в объеме в случае адсорбции акцепторной примеси на заполнение поверхности заряженной формой. В литературе рассматриваются три основных механизма зависимости проводимости слоя от заряда на поверхности. Это образование двойных барьеров Шоттки на межзеренных границах ,,, изменение эффективного сечения проводящего канала между зернами , и модуляция концентрации свободных носителей заряда в объеме обедненного зерна . В модели двойных барьеров Шоттки рис. Этот поверхностный заряд вызывает образование двойного электрического слоя ДЭС на границах зерен . Для переноса заряда через структуру, свободные носители заряда должны преодолевать потенциальные барьеры, существующие между зернами. Поверхностная химическая реакция газавосстановителя с адсорбированным кислородом приводит к уменьшению заполнения поверхности акцепторными центрами и увеличению концентрации свободных носителей в объеме. При этом происходит сдвиг электрохимического потенциала на поверхности и понижение потенциальных барьеров между зернами . Проводимость слоя в целом возрастает. Для спеченных порошков характерно сращивание зерен и образование проводящих перешейков между зернами. Этому способствует высокая температура спекания. Переход свободных носителей между зернами осуществляется по узким каналам, сечение которых контролируется ДЭС перешейков ,. На рис. Рис.