Потенціометричний сенсор зі світловою адресацією ((LAPs). Навести принцип роботи та приклад характеристики фотоструму від прикладеної напруги в газовій атмосфері

Потенціометричний сенсор зі світловою адресацією (в англомовній літературі – light-addressable potentiometric gas sensors, LAPS) – це різновид поверхнево-бар'єрної МОН-структури з електродом порівняння (референтним електродом), в якій сенсорним сигналом є фотострум. До кремнієвої підкладки та електрода порівняння прикладається постійна напруга V_b для створення умов збіднення чи інверсії в проміжній області кремній–діелектрик. За умов освітлення тильного боку структури модульованим світлом з електронно-діркові пари генеруються переважно біля поверхні тильного контакту (рис. 3.16). Завдяки дифузії електронно-діркових пар у глибину пластини відбувається розділення нерівноважних носіїв заряду в області просторового заряду МОН-структури (аналогічно до сонячного елементу). Тоді в електричному колі електрода порівняння виникає синусоїдально модульований фотострум, який вимірюється амперметром А (рис. 3.16, а). Якщо ж прикладений потенціал V_b створює режим акумуляції в структурі, то змінного фотоструму в зовнішньому колі немає. Вимірюється крива залежності фотоструму від прикладеної напруги, тобто ВАХ при освітленні, яка еквівалентна ВФХ звичайної МОН-структури. Якщо в цій системі атоми газу можуть проходити крізь напівпрозору для них мембрану до інтерфейсу електроліт/робочий електрод, то потенціал електрода і, відповідно, товщина області збіднення змінюються. Це веде до зсуву ВАХ уздовж осі напруг (рис. 3.17). Величина зсуву залежить від типу та концентрації газу, як і для звичайної GasFET-структури (див. формулу (3.8)).

Рис. 3.16. Схема газового сенсора типу LAPS	Рис. 3.17. Залежність нормалізованого фотоструму від прикладеної напруги для трьох типів робочих електродів: 1 – SiN затвор у повітрі та кисні; 2 – затвор зі срібла на повітрі; 3 – затвор зі срібла в атмосфері кисню

Типовий газовий сенсор LAPS на кисень створюють на МОН-діоді площею 1 мм² на р-Si(100), опором 3 Ом см, із шаром SiO₂ товщиною 100 нм і шаром нітриду кремнію SiN товщиною 100 нм, які використовуються як затворний діелектрик. У перерізі структура виглядає таким чином (рис. 3.16): мембрана, напівпрозора для кисню – провідник (електроліт 3М КОН гель) – електрод порівняння (Pt) і робочий електрод (Ag) – двошаровий діелектрик (SiN + SiO₂) – напівпровідник (Si). Освітлення структури здійснюється синусоїдально модульованим світлом із частотою 10 кГц на довжині хвилі λ=850 нм від світлодіода (light-emitting diode, LED). В атмосфері кисню для діодних структур з Ag затвором спостерігається зсув ВАХ на 180 мВ у бік позитивних напруг, а для SiN затвора (без металевого електрода) ВАХ не зсуваються. Тому затвор з SiN може вважатися порівняльним затвором (електродом) щодо електрода з Ag. Позитивний зсув ВАХ свідчить, що адсорбція атмосферного кисню на Ag затворі діє як додатковий негативний потенціал. Переваги таких сенсорів очевидні, оскільки, змінюючи матеріал затворного робочого металу можна робити сенсори на різні гази і створювати, таким чином, мультисенсорну систему, яка добре комплементарна до стандартного кремнієвого інтегрального виробництва. Використання світлової адресації дозволяє легко створювати оптоелектронні системи зчитування сигналів з матриці сенсорів.