Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 621.3.049
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МДП-ТРАНЗИСТОРНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ВОДОРОДА
INFLUENCE OF MISFET TEMPERATURE SENSITIVE ELEMENTS ON HYDROGEN SENSOR CHARACTERISTICS
Подлепецкий Борис Иванович
канд. техн. наук, доцент E-mail: bipod45@gmail.com
Никифорова Марина Юрьевна
канд. техн. наук, доцент E-mail: mynikiforova @mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г. Москва
Аннотация: Исследовано влияние температуры кристалла на метрологические и эксплуатационные характеристики интегральных датчиков водорода с МДП-транзисторными чувствительными элементами. На основании полученных экспериментальных результатов предложена модель зависимости водородной чувствительности от рабочей температуры кристалла.
Ключевые слова: датчики водорода, МДП-транзисторные элементы, температура кристалла, метрологические характеристики.
Podlepetsky Boris I.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: bipod45@gmail.com
Nikiforova Marina Yu.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: mynikiforova @mephi.ru
National Research Nuclear University "MEPhI", Moscow city
Abstract: The influence of chip temperature on metrological and operational characteristics of the integrated hydrogen sensors with MISFET elements have been studied. The model of hydrogen sensitivity temperature dependence based on experimental data have been presented.
Keywords: hydrogen sensors, MISFET elements, chip temperature, metrological characteristics.
ВВЕДЕНИЕ
Характерной особенностью полупроводниковых датчиков концентрации газов является зависимость их чувствительности и селективности от рабочей температуры чувствительных элементов (ЧЭ) [1, 2]. Эта зависимость определяется типами исследуемых газов, материалами и технологией изготовления ЧЭ и составом газовой среды. Значения рабочих температур T выбираются на основе экспериментальных температурных зависимостей чувствительности датчика S(T) к конкретному типу газа в области максимальных значений S. Как правило, значения T газочувствительных датчиков повышенные (например, для
водорода T > 120 °С). Тепловой режим датчика обеспечивается либо протекающим через ЧЭ электрическим током, либо отдельным нагревательным элементом (НЭ) датчика. Чтобы при измерении концентрации газа минимизировать температурную погрешность, рабочая температура должна поддерживаться постоянной. Для этой цели используются специальные схемы термостабилизации, в которые помимо НЭ включаются термочувствительные элементы (ТЭ). Минимизация потребляемой мощности и тепловых потерь датчика может достигаться при интеграции ЧЭ, НЭ и ТЭ на одном кристалле с применением микро-и нанотехнологий [2, 3]. Такие интегральные ба-
зовые ячеики для датчиков водородсодержащих газов разработаны на кафедре микро- и нано-электроники НИЯУ МИФИ [3—5]. Среди разработанных образцов наилучшие характеристики имеет интегральная базовая ячеИка ИДВ-3, которая содержит на одном чипе четыре элемента: во-дородочувствительные МДП-транзисторный элемент со структурой Pd—Ta2O5—SiO2—Si (ТЧЭ) и палладиевый резистор, резисторный НЭ и тестовый МДП-транзистор со структурой Al—SiO2—Si, используемый также как термочувствительный элемент в схеме стабилизации рабочей температуры ТЧЭ.
В данной статье приводятся результаты исследования влияния температуры кристалла на метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков водорода на основе ТЧЭ. На основании полученных результатов предложена модель зависимости водородной чувствительности от рабочей температуры кристалла.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальные исследования проводились на образцах интегральной базовой ячейки ИДВ-3, элементы которых включались в две обслуживающие схемы: измерительную и схему стабилизации температуры кристалла. Топология кристалла ИДВ-3 показана на рис. 1, подробности технологии представлены в статьях [3, 4].
Рис. 1. Топология кристалла ИДВ-3:
1 — Рё-резистор; 2 — тестовый МДП-транзистор, используемый как ТЭ; 3 — диффузионный резистор как НЭ; 4 — ТЧЭ
Информативным параметром выходного сигнала ТЧЭ считалось его пороговое напряжение и0, изменения которого измерялись при постоянных токе стока и напряжении между стоком и истоком (схема 1) [6]. Выходной сигнал измерительной схемы ивых = Цз подавался на компьютерный интерфейс и контрольный цифровой вольтметр, что позволяло в автоматизированном режиме наблюдать и записывать водородные отклики ТЧЭ (импульсные переходные характеристики АЦ)(Ж, ?)). Приборная абсолютная погрешность по напряжению не превышала 2 мВ, погрешность эталонной концентрации водорода АИ < 0,001 % об. Время инъекции водорода в рабочую камеру составляло ~ 1 с. Было собрано в корпуса 20 образцов ИДВ-3 с одной кремниевой пластины и измерены при комнатной температуре отклики для концентрации водорода 0,1 % об. Для температурных испытаний было отобрано пять образцов с идентичными параметрами откликов (с разбросами не более 10 %).
На первом этапе были исследованы температурные зависимости напряжения ит (Т) на исто-ковом р—п переходе тестового МДП-транзистора при постоянных значениях токов в прямом включении р—п перехода. Полученные линейные зависимости от комнатной температуры до 200 °С в диапазоне ит от 0,7 до 0,3 В использовались как калибровочные для установления параметров схемы термостабилизации и средних температур кристалла с абсолютной погрешностью, не превышающей 2,0 °С.
Схема термостабилизации обеспечивала импульсную стабилизацию температуры кристалла. Она содержит компаратор на основе операционного усилителя (ОУ), источник опорного напряжения ит, транзисторный ключ, к которому подключен расположенный на кристалле резистор-ный НЭ. На положительный вход ОУ подается заданное опорное напряжение ит, а отрицательный вход соединен с ТЭ — истоком тестового МДП-транзистора, расположенного на кристалле ИДВ-3. Если сигналы на входе ОУ различны, то на выход поступает напряжение, отпирающее транзисторный ключ, управляющий рабочим режимом НЭ, и начинается нагрев кристалла. По мере нагрева кристалла напряжение на выходе ТЭ приближается к значению напряжения на положительном входе ОУ. Когда сигнал на выходе ОУ становится равным нулю, транзисторный ключ
запирается, прерывая цепь нагрева кристалла. При последующем охлаждении кристалла сигнал на выходе ТЭ изменяется, и процесс повторяется заново. Для обеспечения режима малых прямых токов открытого истокового p—n перехода тестового МДП-транзистора используется схема управляемого источника тока на основе полевого транзистора КП103Е [2, 3].
На втором этапе для каждого образца были по три раза измерены полные отклики для четырех концентраций водорода (0,05; 0,1; 0,15 и 0,2 об. %) при фиксированных температурах кристалла от комнатной температуры до 200 °С. Средние значения амплитудных, временных параметров откликов и разбросы (отклонения от среднего) рассчитывались как
1 п
AUc(N, T) = 1 £ |AUqj<N, T)|; n i = 1 1п
Tk(N, T) = n £ Tfa<N, T);
n i = 1
1 n
0(N, T) = 1 E
n i = 1
AU0i- AUo
A U
0
(1)
где i — текущие номера откликов на водородные импульсы с концентрацией N k = 1 и 2 соответствуют временам переднего и заднего фронтов переходной характеристики.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Водородная чувствительность ТЧЭ определяется функцией преобразования ) — зависимостью порогового напряжения от концентрации водорода N модель которой на основании аппроксимации экспериментальных данных можно представить как [7]
Ц) = Цо(Т) - |АЦ)(Д Т)| =
= Ц)о(Т) - АЦм(Т)[1 - ехр(-к#)], (2)
где к = ко — aN;
U00(T) = ФМП +
a*j2Ф»о( T) + фt - Qo(T)
+
+ [2 + y(T)Ko(T).
(3)
Для ТЧЭ значение фмп ~ 0,08 В; удельная
2
емкость диэлектрика Со « 30 нФ/см ; парамет-
Рис. 2. Функции преобразования Щ (N, Т = const):
1 — при Т0; 2 — при Т > Т0
ры заряда в полупроводнике а = J2sns0qNa * 0 5 —2
* 40 (нФ •В ' -см ) и заряда поверхностных состояний у * 5,0-10 Nnc ([Nnc] = см ). Величина Фп0 = 9Tln(Nfl/n) — потенциал середины запрещенной зоны; фт = kT/q — температурный потенциал; n(T) — концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; Qo — эффективная плотность зарядов в диэлектрических слоях. Как следует из (3), значение начального порогового напряжения Uoo(T) зависит от исходных конструктивно-технологических характеристик ТЧЭ и температуры чипа. Для рабочей температуры Т * 400 К из экспериментальных зависимостей Uo = f(N) при N е (0,05;1) об. % определены параметры функции преобразования: U00 * 1,9 В; AUM * 0,5 В; k0 * 15 (1/ %) и
а« 3 (%)-2 [7].
Функция преобразования U)(N) является одной из основных метрологических характеристик ТЧЭ, параметрами которой являются дифференциальная 5Ц = йЩ/dN и интегральная = AU0/AN чувствительности к водороду. Графики функций преобразования в общем виде для двух рабочих температур представлены на рис. 2. Из анализа представленных данных следует, что при изменении T изменяются значения начального порогового напряжения U^(T), а также водородные чувствительности 5Ц и
Экспериментальные зависимости амплитуд откликов |AU0(N, T)| от концентрации N для раз-
400
m
300
200
100
Г" 9 __10
í JE 8____J
ш С V7 ^ / у_-3 2
__1
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Концентрация водорода, % об.
Рис. 3. Зависимости амплитуды полных откликов АЩ(Т) от концентрации водорода N при различных температурах чипа (в °С):
1 - 25; 2 - 60; 3 - 80; 4 - 100; 5 - 130; 6 - 140; 7 - 150; 8 - 160; 9 - 180; 10 - 200 °С
личных температур представлены на рис. 3. Для количественных оценок влияния AТ использовалась величина температурной чувствительности амплитуды отклика
= |A(Uo)|/AT = = (|AUo(T) - AUo(T0)|)/(|(T - T0)|).
Основные результаты исследования влияния температуры кристалла на характеристики датчиков водорода на основе ТЧЭ сводятся к следующим выводам и комментариям.
• При повышении рабочей температуры кристалла величина амплитуд отклика ТЧЭ А Ц^Т) и, следовательно, его чувствительность к водороду возрастает. Зависимости амплитуд отклик
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.