Принцип дії польового транзистора з інверсним шаром. Основні характеристики приладу

Принцип роботи польового транзистора (field effect transistor, FET) з інверсним шаром є загальновідомим. Цей 4-полюсний прилад складається з напівпровідникової підкладки р-типу, в якій сформовано дві сильнолеговані n+-області – витік і стік. Металевий електрод, який відокремлено від підкладки тонким шаром оксиду, називається затвором (рис. 3.1, а).

Рис.3.1. Схема польового транзистора на напівпровіднику р-типу (а), залежність струму витік – стік ІВС від напруги витік – стік VВС при різних VG (б) і струму ІВС від VG при VВС = const

Основні параметри структури – довжина каналу L (відстань між металургійними границями n+-р переходів витоку та стоку, ширина каналу W, товщина шару ізолятора d, глибина переходів і рівень легування підкладки N_A. Для електричної ізоляції окремий транзистор оточено товстим шаром пасивуючого оксиду. При розгляді приладу, всі потенціали відраховують від потенціалу витоку, який зазвичай заземлюють. Якщо напруга на затворі відсутня, електричне коло витік – стік представляє собою два n+-р переходи, які ввімкнено назустріч один одному, й тому по цьому колу може протікати дуже малий струм, що дорівнює струму витоку зворотно-зміщеного переходу. Якщо ж до затвора прикладено достаньо велику позитивну напругу V_G, яка перевищує порогову V_T, то біля границі з підзатворним оксидом утворюється інверсний шар або канал n-типу, який з'єднує n+ області стоку і витоку. Провідність цього каналу модулюється при зміні напруги на затворі. Тильний контакт до підкладки може бути під тим самим потенціалом, що й витік, або під напругою, яка відповідає зворотному зміщенню n+-р переходу витік – підкладка.

Якщо напруга на затворі достатня для сильної інверсії на границі з оксидом, а напруга на стоці не надто велика, то інверсний шар діє як звичайний опір. Струм через провідний інверсний канал І_ВС буде підвищуватись пропорційно напрузі стоку V_BC (рис.3.1,б). Це лінійна область роботи приладу. Із зростанням напруги V_BC може настати момент, коли ширина каналу, а відповідно і заряд інверсійного шару на межі зі стоком стає рівним нулю. Ці умови відповідають початку режиму відсічки каналу.

Для ідеалізованої моделі польового транзистора вводять такі допущення: а) підзатворна область – це ідеальна МОН-структура, без поверхневих електронних станів (ПЕС), без фіксованого заряду в оксиді, за відсутності різниці в роботах виходу метал-напівпровідник; б) рухливість у каналі не залежить від електричного поля; в) концентрація легуючої домішки в каналі однорідна; г) електричне поле вздовж поверхні значно менше поперечної складової (наближення плавного каналу); д) враховується тільки дрейфова компонента струму. Тоді рівняння ВАХ у режимі вимірювань струму витік – стік І_ВС можна записати як:

(3.1)

де μ_n – рухливість електронів у n каналі, C_ox – ємність оксиду. В області насичення При напругах вищих за точку відсічки каналу зі стоком, нехтуючи ефектом зміни довжини каналу з напругою V_BC, і поклавши V_BC=V_G-V_T це рівняння переписується як:

(3.2)

Тобто при V>V_T спостерігається майже лінійна залежність I_BC від прикладеної напруги (рис.3.1,в). Диференціюючи вирази (3.1) та (3.2), можна отримати вирази для провідності g_D і крутизни g_m ідеального МОН-транзистора в лінійній області, які характеризують чутливість приладу:

Gconst

(3.3)

(3.4)

Як видно, чутливість МОН-транзистора лінійно підвищується з Cox, тобто підзатворний оксид треба робити якомога тоншим. Крутизна характеристики визначається важливим параметром напруги V_T. Якщо врахувати неідеальність МОН-структури (фіксований заряд в оксиді та різницю робіт виходу електрона з металу та напівпровідника), то це веде до зсуву напруг плоских зон МОН-структури V_FB, на цю саму величину має зсунутися й порогове значення МОН-транзистора. Враховуючи це, напруга V_T визначається як:

(3.5) де ψp – потенціал у р-області, Vps – напруга зворотного зміщення на підкладці, а величина напруги плоских зон V_FB дорівнює:

(3.6)

Тобто V_FB визначається різницею робіт виходу електрона з металу та напівпровідника Ф_MS, фіксованим зарядом в інтерфейсі SiO₂-Si Q_f і розподілом зарядів в оксиді ρ(x).

Принцип дії сенсору GasFET сенсора на водень. Модель чутливості до водню для Pd затворів. Як розрахувати парціальний тиск водню? Як впливає на чутливість до водню атмосферний кисень?

Принцип дії сенсору GasFET сенсора на водень. У структурі, яка має назву GasFET (газовий польовий транзистор), як затворний метал використовують плівку Pd або інших перехідних металів, які є каталізаторами до водню. Молекули водню з атмосфери адсорбуються на поверхні каталізатора й дисоціюють на атоми водню, частина атомів водню дифундує крізь шар Pd і адсорбується в інтерфейсі Pd-оксид (або інший діелектрик). Кількість

адсорбованих атомів водню в інтерфейсі визначається концентрацією молекул водню в атмосфері та хімічними реакціями на поверхні. В інтерфейсі адсорбовані атоми водню поляризуються і створюють дипольний шар, який змінює потенціал затвора на величину ΔV, що зменшує роботу виходу металу в інтерфейсі.

Рис. 3.2. МОН-структура Pd–SiO2–p-Si за присутності молекул водню та кисню (нагорі): а) схема вимірювань і крива струму витік – стік залежно від напруги на затворі транзистора; б) МОН-ємність і відповідні ВФХ. Стрілка показує напрямок зсуву характеристик при адсорбції водню на поверхні паладію

Як сенсор водню МОН-структура може працювати в режимі польового транзистора чи МОН-ємності (рис. 3.2). У першому випадку вимірюється струм витік – стік залежно від прикладеної до затвора напруги, у другому – зміна ємності структури. За присутності адсорбованого водню крива струму витік – стік від напруги затвора зсувається вздовж осі напруг на величину ΔV, оскільки порогова напруга V_T для виникнення інверсного шару зменшується:

V_T=V_TO-ΔV (3.7) де V_TO – порогова напруга виникнення інверсного шару без присутності водню. Аналогічно, ємність МОН-структури також зсувається вздовж осі напруг на величину ΔV, оскільки напруга плоских зон V_FB залежить від роботи виходу металу й входить до величини VT (вирази (3.5), (3.6)).

(3.5) де ψ_p – потенціал у р-області, Vps – напруга зворотного зміщення на підкладці, а величина напруги плоских зон V_FB дорівнює:

(3.6)

Величина ΔV дорівнює:

(3.8)

де ni – кількість атомів водню в області інтерфейсу (на одиниці поверхні, см^–2), μ – дипольний момент адсорбованих атомів водню в інтерфейсі, ε₀ – діелектрична проникність вакууму. Зростання ΔV відповідає зменшенню роботи виходу металу.

Для того, щоб описати фізико-хімічні причини виникнення зміни електричних характеристик МОН-структури необхідно розглянути три різних процеси: 1) поверхневі реакції, які ведуть до адсорбції атомів водню на зовнішній поверхні металу; 2) транспорт атомів водню крізь плівку каталітичного металу; 3) утворення диполів в інтерфейсі метал–діелектрик чи метал–напівпровідник (у випадку контакту типу Шотткі).

Модель чутливості до водню для Pd затворів.

Основні припущення моделі такі (рис. 3.3):

1) молекули водню адсорбуються та дисоціюють на поверхні каталізатора. Концентрація адсорбованих атомів на поверхні пропорційна парціальному тиску водню та кількості вільних вузлів адсорбції;

Рис. 3.3. Хімічні реакції при адсорбції водню та кисню на МОН-структурі з паладієм

2) водень десорбується з поверхні металу за рахунок рекомбінації та утворення молекул Н₂ чи за рахунок хімічної реакції з киснем і утворенням молекул води. Тобто механізми 1 та 2 описуються такими реакціями:

· дисоціація молекул водню H₂à2Ha (зі швидкістю c1);

· рекомбінація адсорбованих атомів водню 2НаàН₂ (зі швидкістю d1);

· дисоціація молекул кисню О₂à2Оа;

· рекомбінація адсорбованих атомів кисню 2ОаàО₂;

· утворення та десорбція молекул води 4На+О₂à2Н₂О.

Залежно від температури реакції утворення води та гідроксилів можуть відбуватися також за іншими каналами (рис. 3.3), а саме:

· з утворенням адсорбованих OH -груп 2На+О₂à2ОНа, (зі швидкістю c2) На+ОаàОНа;

· дисоціації ОН-груп ОНаàОа+На;

· утворенням молекул води ОНа+НаàН₂О.

При балансі вказаних реакцій встановлюється рівноважній стан, який залежить від співвідношень парціальних тисків водню та кисню.

3) атоми водню дифундують крізь метал і адсорбуються в інтерфейсі метал–діелектрик. Завдяки дуже високій швидкості дифузії (час дифузії крізь 200нм шар паладію дорівнює 10мкс при 150 ⁰С та 0,15мс при кімнатній температурі) завжди існує рівновага між кількістю водневих атомів на двох поверхнях: На«Нi;

4) атоми водню, які адсорбуються в інтерфейсі метал–діелектрик, стають поляризованими, що веде до зсуву напруги ΔV, який пропорційний кількості адсорбованих водневих атомів в інтерфейсі (3.8).

Як розрахувати парціальний тиск водню? Як впливає на чутливість до водню атмосферний кисень? Ці реакції можуть бути виражені простими кінетичними рівняннями для коефіцієнта покриття поверхні металу адсорбованими атомами водню θa (відношення кількості адсорбованого водню на загальну кількість вузлів адсорбції на поверхні каталізатора) з урахуванням лише найбільш вірогідних реакцій. Тоді з припущень 1 та 2 випливає, що адсорбція атомів кисню блокує хімічні реакції на поверхні. Якщо формування молекул ОНа іде за рахунок адсорбованих атомів водню і молекулярного кисню, то емпірично можна встановити, що:

(3.9)

де θ_OH – покриття ОН-групами поверхні каталізатора, P_H2 та P_O2 – парціальний тиск Н2 і О2, відповідно, θa пропорційне квадратному кореню з парціального тиску водню за умови θa << 1 - θ_OH і P_O2 = const.

Якщо ОНа створюються за рахунок адсорбованих кисню та водню і процес дисоціації ОНа швидкий, то адсорбовані кисневі атоми блокуватимуть дисоціацію молекул водню і співвідношення (3.9) буде іншим:

(3.10)

де нехтуємо рекомбінацією двох атомів водню в молекулу водню, оскільки швидкість утворення молекул води значно вища за швидкість рекомбінації при концентрації кисню порядку відсотків. Якщо атмосфера інертна, то спонтанна рекомбінація атомів водню вже істотна й тоді:

(3.11)

Ці результати можуть бути зрозумілими на підставі аналізу простих кінетичних рівнянь для θa. Рівняння (3.9) можна отримати з кінетичного рівняння:

d(a)011H(2O1H)2a2O222aaiiacPcPFF

(3.12)

де θ₀ – це покриття атомами кисню, яке блокує дисоціацію водню на поверхні, Fai та Fia – це потоки атомів водню з поверхні в діелектричний шар, і навпаки (рис. 3.3), які однакові за рівноважних умов. Введемо величину ступеня покриття воднем інтерфейсу метал–діелектрик θi. Тоді для цих потоків можна записати:

(3.13)

де c, d – відповідно, швидкості дифузії HaàHi та HiàHa. За рівноважних умов Fai=Fia. Звідси

(3.14)

Якщо вузли адсорбції на поверхні та в інтерфейсі мають одну природу й однакову теплоту адсорбції, то c/d=1. Ця умова виконується для паладієвої МОН-структури при роботі за атмосферних умов. Таким чином, концентрація атомів водню в інтерфейсі визначається концентрацією молекул водню у вимірюваній атмосфері та хімічними реакціями на поверхні каталізатора. В інтерфейсі при адсорбції атомів водню виникає дипольний шар і додаткове падіння напруги, яке змінює роботу виходу металу в інтерфейсі. Якщо припустити, що

ΔV=ΔV_maxθ_i (3.15)

то можна отримати рівняння для залежності зсуву I-V та C-V характеристик від парціального тиску водню й кисню:

(3.16)

або від парціального тиску водню в інертній атмосфері:

(3.17)

де K – постійна, а функція f (P_O2), згідно з рівняннями (3.9) та (3.10) дорівнює P_O2 або P_O2^1/2. Тобто напруга зсуву залежить як корінь квадратний від парціального тиску водню