Параметри мон-сенсорів до водню

Рис. 3.4. Залежність ΔV від концентрації водню для: сенсора транзисторного типу Pd-Si3N4-SiO2-Si в атмосфері H2 + N2 при Т = 150 ^0С (1) і 250 ^0С (2); сенсора ємнісного типу Pd-Al2O3-SiO2-Si у суміші H2 і синтетичного повітря (80 % N2 + 20 %О2) при 50 ^0С (3) та 75 ^0С (4), сенсора транзисторного типу Pd-SiO2-Si в атмосфері H2 + повітря при 120 ^0С (5)	Рис. 3.5: а) типові кінетичні залежності зміни сигналу ΔV при ввімкненні та вимкненні подачі 200 ppm Н2 у повітрі для сенсора транзисторного типу Pd-Si3N4-SiO2-Si при 150 ^0С; б) залежність сигналу ΔV при послідовній подачі 0, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 250, 100, 50, 25, 10, 0 ppm Н2 для двох сенсорів транзисторного типу Pd-SiO2-Si (1 цикл подачі) та Pd-Al2O3-SiO2-Si (6 циклів подачі) при 75 ^0С

Рис. 3.4 показує сигнал сенсорів типу польового транзистора та ємнісного типу залежно від концентрації водню. Зростання ΔV, відповідає зменшенню роботи виходу металу. Для сенсорів з паладієвим затвором ця величина сягає 0,6 В. Експериментальний графік залежності зсуву ΔV від парціального тиску добре описується законом , згідно з рівняннями (3.16) та (3.17). Як і передбачається теорією, величина сигналу зменшується за присутності кисню в атмосфері. Із зростанням температури сигнал ΔV спадає, оскільки відбувається погіршення характеристик МОН-структури (за рахунок зменшення висоти потенціального бар'єра). Температурна залежність відповіді до водню проявляється значно менше в повітрі, ніж у інертній атмосфері, що пояснюється різною активаційною енергією для поверхневих реакцій за участю та без участі молекул кисню.

Рис. 3.5 показує приклади кінетики відповіді для польового транзистора при ввімкненні та вимкненні подачі водню. Час відповіді сенсора – порядку хвилин. Оскільки дифузія водню крізь шар паладію дуже швидка (мікросекунди), час відповіді визначається швидкістю потоку водню до поверхні та швидкістю вищерозглянутих реакцій і залежить від парціального тиску водню та кисню. Крім того, спостерігається так званий HID-ефект (hydrogen-induced drift), коли відбувається пасивація воднем поверхні кремнію; вона веде до зсуву поверхневого рівня Фермі. Пастки, які існують на межі поділу Pd-SiO₂, характеризуються великою дисперсією постійних часу для захоплення та вивільнення атомів водню. Це веде до гістерезису параметрів сенсора – значення ΔV відрізняється для вимірювання при послідовній подачі більшої та меншої концентрації водню (рис. 3.5, б). Величина гістерезису залежить від якості інтерфейсу метал–діелектрик і, наприклад, більша для Pd-SiO₂ сенсорів, ніж для Pd-Al2O₃ сенсорів. Проте для останніх і величина сигналу також менша. Використання більш складних діелектричних шарів типу Si3N₄ – SiO₂ суттєво зменшує HID-ефект. Найкращі МОН-сенсори з паладієвим затвором можуть зареєструвати дуже малі концентрації водню в атмосфері повітря (ΔV =1мВ при зміні [H2] на 0,005 ppm).

Дата добавления: 2015-01-03