Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 681.586.72:621.3.088
ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ МДП-ТРАНЗИСТОРНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Б. И. Подлепецкий, А. В. Коваленко, М. Ю. Никифорова
Рассмотрены случайные и систематические погрешности интегральных датчиков водорода на основе МДП-тран-зисторных чувствительных элементов (МДПЧЭ). Даны рекомендации по уменьшению результирующих погрешностей интегральных датчиков на основе МДПЧЭ.
Ключевые слова: статические случайные и систематические погрешности, интегральный датчик водорода, МДП-тран-зисторный чувствительный элемент, влияющие факторы.
Исследования, проведенные на кафедре микро- и наноэлектроники Московского инженерно-физического института, показали, что для интегральных датчиков (ИД) водорода по конструктивно-технологическим (КТХ), метрологическим и эксплуатационным характеристикам перспективны ЧЭ на основе МДП-транзисторов с палладие-вым затвором (ТЧЭ) [1—4]. Наилучшие характеристики имеют датчики ИДВ-3, которые содержат четыре базовых элемента: два основных ЧЭ (тонкопленочный палладиевый резистор и п-каналь-ный МДП-транзистор со структурой Рё—Та205— Si02—Si), вспомогательный ЧЭ (МДП-транзи-стор с алюминиевым затвором, стоковый р-п-пе-реход которого применяется как ТЧЭ) и нагреватель на основе диффузионного резистора.
Опыт применения датчиков ИДВ-3 показал, что в ряде случаев нестабильность чувствительности и быстродействия ТЧЭ приводят к погрешностям измерения, требующим периодической калибровки приборов и ограничивающим их использование [4]. В результате экспериментальных исследований метрологических и эксплуатационных характеристик ИДВ-3 установлено, что погрешности измерения концентрации водорода датчиками на основе ТЧЭ определяются температурным и временным дрейфами начального значения порогового напряжения [4], разбросом параметров отклика, влиянием внешних факторов (сопутствующих газов, света, радиации) [5—7]. Однако для практического использования полученных результатов необходимо количественно определить вклады составляющих факторов в результирую-
щую погрешность датчиков с оценкой возможности учета и компенсации погрешностей.
Информативным параметром ТЧЭ [8] является его пороговое напряжение Щ [9], которое в качестве функции от концентрации газа N, времени ? и параметров влияющих факторов {/ может быть представлено в общем виде как
и / = / + дад{д*/}),
где начальное значение порогового напряжения Ц)о(?,{г/}) соответствует величине Щ при отсутствии исследуемого газа. Погрешность нуля [8, 10] определяется изменением АЦоо. Значение величины Ц)о может зависеть от времени и влияющих факторов как внутренних (температуры кристалла Т (у = 1), разности работ выхода из палладия и полупроводника фмп, эффективного заряда в диэлектрике (?о, заряда поверхностных состояний ф п) и КТХ ТЧЭ), так и внешних (напряжения на затворе Цзо (у = 2), мощности световых излучений Рс (у = 3), концентраций других газов N1 (у = 4), дозы ионизирующих излучений Б или флюенса Ф (у = 5)).
Интегральная чувствительность ТЧЭ ¿о = = А Uо/ДN, определяемая изменением порогового напряжения ДЦо, зависит от концентрации водорода N и изменения параметров влияющих факторов А/ КТХ ТЧЭ (концентрация примесей в подложке Na, эффективная подвижность ци, длина Ь и ширина г канала, относительные прони-
цаемости е/ и толщины подзатворных диэлектриков й) определяют удельные крутизну Ь = (цигСо)/Х и емкость Со = Е0Е1Е2/(е1^2 + Е2й1). При включении ТЧЭ в схемы величины Ь и ЛЦо являются параметрами его вольтамперных характеристик (зависимостей тока стока /с = /(Цси, Цз), а также определяют чувствительности схемы ^ = ливых/ЛЦ) и датчика £д = ЛЦвЬ1Х/ЛЖ Пороговое напряжение
Цо =
0 = Фмп
бэф + т Ф + У2епе0тоФпо) (1) - —ф + тоФп0 + --7;-,(1)
Со
Со
где °эф = Оо + ОпС Опс(Фп) = ас^пс^(Фп0 - Фп^
Фп — поверхностный потенциал, (ас ^пс) — эффективная плотность поверхностных состояний; то = 1,0...2,0; фпо = фт •1п(^г/иг), фт — температурный потенциал; q — заряд электрона.
При измерении Ц) влияющие факторы могут изменять Ц)0 за счет аддитивных (не зависящих от N) составляющих эффективного заряда в ди-
т
электрике Оол = ^ бо^С^О), а ЛЦ — за счет за-
к = 1
висимостей ОолК^ {2/}) (кинетика перераспределения зарядов в МДП-структуре при взаимодействии водорода с палладием и диэлектриком в присутствии влияющих факторов). Первый эффект влияет на погрешность нуля и другие аддитивные погрешности Л^ол^, а второй — на погрешность чувствительности ЛЦщ^, и эффективный заряд в диэлектрике можно представить как Оо = Ооа + Оол, а вклад влияющих факторов — как ЛЦо2 = ЛЦолг' + ЛЦщ^. Обозначив Цот сумму двух последних слагаемых в выражении (1), зависящих только от температуры, получаем модель функции преобразования ТЧЭ:
ЛЦКД {Лгу-}) = = Лфмп^) - [ЛОол (Д {г/})]/Со - [ЛОо4(Лг^)]/Со -- [Л^с^с, Фп)]/Со + ЛЦог, (2)
где первые два слагаемых определяют зависимость порогового напряжения от концентрации водорода, т. е. чувствительность датчика, а остальные — аддитивные составляющие ЛЦ^
Систематические погрешности измерения ЛЦо обусловлены параметрами {г/}, влияющими на чувствительность к водороду, а также параметрами {г^}, Цот и Опс^пс, фп), влияющими только на начальное значение Цоо независимо от концентрации водорода (т — число факторов с параметрами {г^}). Изменения параметров этих т факторов за время измерения определяют аддитивные
составляющие ЛЩл2 систематической погрешности измерения ЛЦ^ Флюктуации параметров {/ и разброс КТХ ТЧЭ определяют случайные погрешности. Результирующая абсолютная аддитивная погрешность при измерении Цо может быть представлена как
Лад / = Л^ооО + ЛСЫЛВД +
+ ЛЦ^(Л^) + Л^пс^с, Фп) + ЛЩг ± Л V, (3)
где ЛЦюО — временной дрейф начального значения порогового напряжения; ЛЦоо[Л^?)] — изменения Цоо, связанные с утечкой водорода из испы-
т
тательной камеры; Л^^(Лг&) = ^ Л^^Лг^)) =
к = 1
= -[ЛОол(Лгь)]/Со и ЛЦопс(^1с, Фп) = -[ЛОпс(^ю, Фп)]/Со; ЛГ — статическая абсолютная погрешность измерения напряжения. Если за время измерения концентрации параметры влияющих факторов не изменяются, то систематическая составляющая погрешности определяется только погрешностями калибровки (погрешностями измерения эталонной концентрации ЛN и напряжения ЛГ) и зависимостью ЛЦщ2г(^{г/}), а случайная — только разбросом КТХ ТЧЭ.
Наиболее распространено измерение порогового напряжения либо в режиме поддержания постоянных значений тока стока /с и напряжения сток-исток Цси, либо в режиме поддержания постоянного напряжения на затворе Цз [8]. Экспериментальные исследования проводились в первом режиме (при фиксированных /с и Цси изменения выходного напряжения ЛЦвЬ1Х = Л^з = ЛЦо, ^ = 1), т. е. распределение поверхностного потенциала вдоль канала ТЧЭ не изменялось и, следовательно, ЛОпс = 0.
Для определения усредненной функции преобразования многократно в несколько этапов (3—5 раз) измерялись переходные импульсные характеристики ТЧЭ (полные отклики на импульсы концентрации водорода с нарастающими и убывающими заданными значениями). Параметры одиночного отклика на импульс концентрации водорода N = 0,05 об. % длительностью т = 20 с представлены на рис. 1, а параметры полных откликов ТЧЭ при последовательности импульсов различных концентраций водорода длительностью т > Т1 и временем следования тсл > (т + тз) с нарастающими значениями N — на рис. 2.
Для каждого импульса N измерялись основные параметры откликов (см. рис. 1): начальное значение порогового напряжения ^оь амплитуда отклика ЛЦм/ = ЛЦоМ/ = 1Цш/ - Цю/1; остаточное напряжение отклика 8Ц-; время нарастания от-
о 1о 2о зо 4о 5о Г, с
Рис. 1
ткср
1 "
_ У хки к равно 1 или 3. Статические пог-
г = 1
решности амплитудных параметров отклика определялись разбросами параметров ДЦом и 8Ц: относительным разбросом амплитуд отклика: 9 и =
1 "
1 У |(Д им, - А им )/Д им
г = 1
А имт =
1 "
- У |А им |, среднее значение остаточно-п '
ДN = 0,0005 об %, напряжения А V = 1 мВ и времени Дt = 0,5...1,0 с. Основные статические погрешности одиночных ИД или группы ИД из одной серии оценивались по соответствующим градуиро-вочным характеристикам N=/(Цвых ± ДЦв^1Х) [10], построенным на основе номинальных (усредненных) передаточных характеристик с "полосой" случайных погрешностей шириной 2ДЦвых. Для
ТЧЭ А ивых = 19 цм Дим ± А VI и определяется разбросами амплитуд откликов, а в идеальном случае равна А V.
Относительная статическая погрешность определялась как
8N = (ДN/N)-100 % = = КДЦшх)/^' ¿од) ± ДN/N| -100 %,
(4)
где ¿од = dUом/dN — дифференциальная чувствительность. Экспериментальные функции преобразования аппроксимировались:
ДЦм = ДЦм (1 - exp(-kN)),
(5)
Рис. 2
клика хц; время спада отклика хзг-. На основании полученных данных определялись функции преобразования ТЧЭ (передаточные характеристики ДЦом = /(N)), рассчитывалась интегральная чувствительность ¿о = ДUом/ДN для всех этапов измерений. Параметры быстродействия определялись как средние значения времен Т1ср и тзср:
относительным
разбросом остаточного напряжения отклика 95и = |8Ц,р/Д им |, где А Цм — значение амплитуды 1-го отклика, п — количество измеренных откликов при одинаковых концентрациях водорода (среднее значение амплитуды откликов
1 "
го напряжения 8Цр = - у |8Ц-|). Абсолютные пог-
г = 1
решности определения эталонной концентрации
где к = ко + а • N.
Параметры ДЦм, ко и а определялись из зависимостей ДЦом = /^), ¿од = к • ДUм^exp(—kN).
Для количественной оценки дополнительных погрешностей, обусловленных влияющими факторами, были введены коэффициенты чувствительности Б2 = {Д[Д(Ц|)]/Дг} к их параметрам г, значения которых определялись экспериментально, а соответствующая составляющая определялась как ДЦо2 = БАг. Предельно допустимые значения параметров оценивались как гп = А V/Б2. Экспериментально исследовались зависимости погрешности от температуры кристалла и электрических режимов работы ТЧЭ, светового и электронного облучений, воздействия кислорода и аммиака. Вклад временного дрейфа начального значения порогового напряжения АЦ^О оценивался макс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.