Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 681.586'33.681.542.7
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ МДП-ТРАНЗИСТОРНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ВОДОРОДА
Б. И. Подлепецкий, А. В. Коваленко, Д. А. Куракин, М. Ю. Никифорова, Ю. В. Самоварщиков
Приведены результаты исследования зависимости метрологических и эксплуатационных характеристик интегральных датчиков водорода от электрических режимов работы МДП-транзисторных чувствительных элементов и вида измерительных схем. Даны рекомендации по оптимальному выбору электрических режимов для различных схем включения и областей применения датчиков.
Ключевые слова: интегральные датчики водорода, МДП-транзисторные элементы, электрические режимы, метрологические характеристики датчиков.
ВВЕДЕНИЕ
На кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ разработан ряд интегральных датчиков водорода с конденсаторными и транзисторными чувствительными элементами на основе МДП-структур "палладий—диэлектрик— кремний" [1—4], из которых наилучшие характеристики имеет интегральная базовая ячейка, содержащая на одном чипе чувствительные к водороду МДП-транзисторный элемент со структурой Pd—Ta2O5—SiO2—Si (ТЧЭ) и палладиевый резистор, а также резисторный нагревательный элемент и тестовый МДП-транзистор, используемый и как датчик в схеме стабилизации рабочей температуры ТЧЭ. Структура и топология такой ячейки представлены в работах [3, 4], где показано, что в сравнении с Pd-резистором ТЧЭ имеет лучшие метрологические и эксплуатационные характеристики.
Для получения рекомендаций по практическому применению ТЧЭ как элемента интегральных датчиков водородосодержащих газов необходимо оценить влияние различных факторов на его рабочие характеристики. Ниже приводятся результаты исследования влияния вида измери-
тельных схем и электрических режимов работы ТЧЭ на метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков водорода на их основе.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕЖИМЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТЧЭ
Информативным параметром выходного сигнала ТЧЭ служит его пороговое напряжение Ц,. Водородная чувствительность ТЧЭ определяется функцией преобразования — зависимостью порогового напряжения от концентрации водорода N. Модель этой зависимости на основании аппроксимации экспериментальных данных можно представить в виде
Ц) = и00(г) - |Д£Ы^)| = = Ц,0 - ДЦм[1 - ехр(-Ш)], (1)
где к = к, — аЖ
Начальное значение порогового напряжения Ц)о(г) зависит от исходных конструктивно-технологических характеристик ТЧЭ и параметров влияющих факторов г (температуры чипа, концентраций других газов, мощности ионизирующего излучения). При рабочей температуре Т « 400 К начальное значение порого-
вого напряжения Цю * 1,9 В. Параметры ЛЦм, к0 и а определены из экспериментальных зависимостей и0 = ): при N е (0,005; 1) об. % величины лиМ * 0,5 В; к0 * 15 (1/%) и а * 3 (%)-2 [5].
Функция преобразования Ц)(^ является одной из основных метрологических характеристик ТЧЭ. Ее параметрами являются дифференциальная ¿0 = аЦ/а^ и интегральная ¿0и = ЛUo/ЛN чувствительности. Другие метрологические характеристики: погрешности, порог чувствительности, диапазон преобразования и максимальный размах выходного напряжения [6]. К основным эксплуатационным характеристикам ТЧЭ относятся: потребляемая мощность, стабильность (степень повторяемости параметров откликов), селективность, время непрерывной работы, чувствительность к параметрам влияющих факторов = ЛЦ)/Лг [5].
Работу ТЧЭ как электронного элемента датчиков описывают электрическими моделями — зависимостями тока стока /с от напряжений между стоком и истоком ис и от напряжения между затвором и подложкой Щ. Параметры таких моделей определяются по измеренным переходным /с(Цз) или выходным /с(Ос) вольтамперным характеристикам (ВАХ). В данной работе использована электрическая модель ТЧЭ, полученная на основе классической модели длинноканальных МДП-транзисторов с кусочной аппроксимацией ВАХ [5, 7]. В модели в надпороговом режиме (^З > Ц,) рассматриваются крутые и пологие области ВАХ, учтены токи утечки 1) и дополнительные токи Л1со, возникающие под действием влияющих факторов (повышенных температур и уровня радиации). Формулы для расчета 1с представлены в общем виде в табл. 1. Параметры: и = Цз — Ц), удельная крутизна Ь * 2,0 мА/В ,
тепловой потенциал фТ « 0, 033 В и потенциал середины зоны фп0 « 0,36 В при рабочей температуре Т = 400 К, фп — поверхностный потенциал. Параметр у « 5,0-10 NnC, где Nnc — плотность поверхностных состояний на границе Si—SÍO2 ([Nnc] — см 2). Ток /с « 2,2 мкА.
Для обозначения границ режимов введены параметры напряжения затвора: плоских зон Uro = U3 (фп = 0) и середины запрещенной зоны иИ = Цз (фп = фп0), пороговое напряжение Ц = U3 (фп = 2фпс), напряжение перехода к сильной инверсии U3* и максимальное напряжение Цзм. Начальные значения Цис « 1,2 В, U00 « 1,9 В, U3*0 « 3,0. В подпороговой области при U < 0 (ТЧЭ "закрыт") в режимах 1 и 2 токи стока /Со (токи утечки) определяются диффузионной составляющей и зависят в основном от U согласно (2, см. табл. 1). В сравнении с токами /с в надпороговой области (U > 0, ТЧЭ "открыт") токи /Со весьма малы, хотя дифференциальная чувствительность к U у них высока. Дополнительный ток Л/Со (ток обратно смещенного стокового р—и-перехода) следует учитывать в экстремальных условиях — при действии высоких температур, больших мощностей светового и ионизирующего излучений. Условное деление областей работы ТЧЭ на указанные режимы связано с различием формул для расчета ВАХ. В обычных условиях ток Л/сс пренебрежимо мал, и можно принять Л/сс = 0. Для данного ТЧЭ значения /Со находятся приблизительно в пределах от 0,001 до 2,2 мкА. При работе ТЧЭ в надпороговой области при U >0,1 В значения токов /с > 10 мкА, тогда током /с можно пренебречь. В режиме обеднения в обычных условиях /с < 0,1 мкА. Практически такой режим реализуется только в случае, когда ТЧЭ находится в
Таблица 1
Ток стока ТЧЭ в различных режимах
№ п/п. Режим U3 е, фп е Формулы для расчета 1с
1. Обеднение (Un3;U^, (с,фп0] 2. Слабая инверсия (Uh;U)], (фпо; 2фпо] 1 1 со = 1оехР{С/[(2 + у)фт]}[1 - exp(—Сс/фт)] + Л1со; о и Ь(фт)2 (2)
3. Умеренная инверсия (U> U*], (2фпо; 2фпо + 4фТ] 4. Сильная инверсия ( U^Ujm], (2фпо + 4фТ;фпм] b^U——J Uc + 1о + Л1со, Uc < UCH, крутая область; —- (U)2 + 1о + Л1со, Uc l UCH, пологая область;
U™ = U/n = (3)
40
Sensors & Systems • № 12.2014
Рис. 1. Схема 1
нерабочем (закрытом) состоянии (например, при иЗ = 0).
В датчиках и приборах ТЧЭ включаются в различные измерительные схемы в режимах инверсии (2—4). Параметрами функции преобразования ивых = f )] являются начальное выходное напряжение ивых0 = ивых(Ж = 0), дифференциальная и интегральная чувствительности £д = Аивых/йЖ и = дивых/АЖ, а также
максимальный размах выходного напряжения
АивыхМ = 1ивых(^макс) - ивыхо|. ФУнкЦия преобразования датчика зависит от вида схемы, количества ТЧЭ и их электричеких режимов. При последовательной цепочке преобразований АЖ ^ А^о ^ Аивых дифференциальная чувствительность датчика может быть представлена как произведение чувствительностей отдельных
преобразующих элементов 5Ц = S0S, где S0 и S = dUBbIx/dUo — дифференциальные чувствительности ТЧЭ и схемы соответственно. Относительная погрешность датчика, согласно [6], равна:
5N = |А(ивых)/(ЛЗЦ)|-100 %, (4)
где А(ивых) — абсолютная погрешность измерения выходного напряжения. Как правило, ТЧЭ включается с объединенными истоком и подложкой, поэтому в формуле (3, см. табл. 1) коэффициент влияния подложки n = 1. Наиболее распространенные способы включения одного ТЧЭ — схема 1 и схема 2 — приведены на рис. 1 и рис. 2 соответственно. При этом в схеме 1: ивых = U3; = const; Uc = const, а в схеме 2: Цвых = Uc; U30 = WW + R2) = const.
ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМЫ 1
В этой схеме неинвертирующий повторитель на основе операционного усилителя (ОУ) A1 поддерживает постоянным потенциал на стоке, инвертирующий повторитель ОУ A2 и резистор R задают постоянный рабочий ток стока Ic. Напряжение на стоке Uc и ток стока задаются такими, чтобы ТЧЭ работал в области малых токов стока. При уменьшении порогового напряжения возрастает ток стока, в результате увеличивается падение напряжения на резисторе R5, возрастает потенциал на инвертирующем входе ОУ A3. Напряжение на затворе ТЧЭ, равное напряжению UBbIx, устанавливается таким, что ток стока принимает начальное значение Ic. Таким образом, в данной схеме изменение выходного напряжения AUBbIx = AU3 равно изменению порогового напряжения AUg, и, согласно (1), функция преобразования такой схемы будет:
UgbIx(N) = UgbIxo - AUm[1 - exp(-kN)]. (5)
Формулы для расчета значений начального выходного напряжения UBbIxg представлены в табл. 2. Это напряжение зависит от исходных конструктивно-технологических характеристик ТЧЭ, определяемых параметрами и у, а также от значений тока Ic и напряжения Uc. Дифференциальная и интегральная чувствительности датчика на основе схемы 1 не зависят от значений тока Ic и напряжения Uc и определяются как
£ц = kAUMexp(-kN) и ¿Ди = AUgbIx/AN = = AUMexp(-kN0)[1 - exp(-kAN))/AN]. (6)
Рис. 2. Схема 2
Начальное выходное напряжение для различных вариантов режима в схеме 1
Таблица 2
№ № режима//с ис Vi Формулы для расчета ивых0
1 2/< ¡0 > 3фт Фт(2 + у)1п(1с/10) ии0+ (1+ 0,5у)(Ц + 2фП0) (7)
2 3/е №; ¡СМ) 1 р 4 ь ¡2Ге 4 ь Ци0+ (1+ 0,5у)(Ц + 2фп0) - Д(Цз) при фп < 0,76 В;
3 < В 4 ь ¡с /(ЬЦс) + 0,5 ис Ци0 - Д(Цз) +[0,5(Ц1+2фп0) + 0,4у(фп1 - Фп0)]/[0,5(1 - 0,1у)] при фп > 0,76 В
4 5 4/1 ¡СМ > Б 4 ь < щ- 4 ь дь 4 ь ¡с /(Ьис) + 0,5 ис Ци0 +[0,5(Ц1+2фп0) +0,4 у(фп1 - фп0)]/[0,5 (1 - 0,1у)]
Основная особенность схемы 1 — равенство изменений порогового и выходного напряжений А и0 = А ивых. Дифференциальная и интегральная чувствительности ^ = = 1, а максимальный размах выходного напряжения АивыхМ = Аим не зависит от /с и Цс
Еще одна особенность этой схемы состоит в том, что из-за постоянного распределения поверхностного потенциала вдоль канала ТЧЭ заряды поверхностных состояний на границе SiO2—Si не влияют на результаты измерения ивых(^). П
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.