Влияние глубоких энергетических уровней на коэффициент газовой чувствительности кондуктометрических сенсоров газов

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 = .

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

для величины поверхностного потенциала ( имеем

А =-чЛ-.

^ 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 = -^-),

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.