敏感器件7-3課件

§7.4半導(dǎo)體氣敏器件能夠響應(yīng)于氣體中一定的成分，伴隨由此引起的化學(xué)、物理效應(yīng)，有著相應(yīng)變化的電信號輸出的器件。器件要求具有良好的選擇性具有較高的靈敏度和寬響應(yīng)動態(tài)范圍性能穩(wěn)定，器件特性不隨環(huán)境溫度、濕度變化響應(yīng)速度快，重復(fù)性好維護簡單，價格便宜各種氣體敏感元器件采用無機材料的氣體敏感元件氣體敏感元器件分類金屬氧化物半導(dǎo)體氣體敏感元件常用SnO2，ZnO，F(xiàn)e2O3，In2O3，WO3等n型氧化物半導(dǎo)體做主體材料，添加合適的催化劑制作成燒結(jié)體、薄膜或厚膜元件，用來檢測還原性氣體。這類敏感元件的優(yōu)點是制作工藝簡單，成本低，靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性可滿足一般的要求。主要問題是選擇性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。分類采用有機材料的氣體敏感元件氧化物半導(dǎo)體氣敏元件表面電阻控制型氣敏器件半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力，則吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附。氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體。半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的親和力。吸附分子將向器件釋放出電子，形成正離子吸附。H2、CO、碳氫化含物和醇類等具有正離子吸附傾向的氣體被稱為還原型氣體。當氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。燒結(jié)型氣敏器件半導(dǎo)體燒結(jié)體是由微粒子組成的微細多孔結(jié)構(gòu)。其對氣體敏感的機理是構(gòu)成燒結(jié)體的多晶微粒子間吸附氣體分子后，電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨氣體濃度而改變。體電阻控制型氣敏器件由于晶粒表面上微觀上可逆還原反應(yīng)所造成的電荷在離子間轉(zhuǎn)移的結(jié)果，并最終歸結(jié)為離子電價的變化導(dǎo)致電導(dǎo)率變化。例：γ－Fe2O3氣敏器件在400℃下，γ－Fe2O3氣敏器件吸附還原性氣體，使Fe3＋被還原為Fe2＋：CH4＝吸附＝>CH＋＋e－Fe3＋＋e－＝還原＝>Fe2＋溫度和催化劑對器件的影響溫度與靈敏度常溫下，氣體以物理吸附為主，與半導(dǎo)體表面間的結(jié)合力為范德華力，相互間沒有電子交換，靈敏度低。高溫下，化學(xué)吸附將增加并在某溫度下達到最大。此時半導(dǎo)體表面為離子吸附狀態(tài)，結(jié)合力為化學(xué)鍵合力，有電子交換，靈敏度高。溫度再升高，氣體逐漸解吸，靈敏度下降。催化劑在基體陶瓷半導(dǎo)體材料中摻入不同的貴金屬材料做催化劑，可以明顯的改變器件的特性，有效降低器件的靈敏度峰值溫度。將溫度和催化劑適當組合，不但可改善器件特性，還能提高氣體選擇能力。常見陶瓷氣敏元件常見的陶瓷氣敏材料主要有：SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2等。材料特性檢測氣體SnO2結(jié)構(gòu)簡單，便宜，靈敏度高，工作溫度低；一致性較差可燃氣體：甲烷、丙烷、一氧化碳、氫、酒精、石油氣等Fe2O3對乙醇、水汽不敏感，受環(huán)境溫度、濕度影響小，無需添加催化劑；適于家用煤氣、天然氣、石油氣等ZrO2高靈敏度、高可靠性；用于汽車控燃比控制，內(nèi)燃機、窯爐尾氣檢測，廢水測量等氧氣半導(dǎo)體氣敏二極管氣敏二極管有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是金屬和半導(dǎo)體接觸的肖特基二極管，其利用半導(dǎo)體表面吸附氣體后，與金屬的功函數(shù)差隨之改變，從而使肖特基勢壘下降，正向電流增加來檢測氣體。另一種是金屬－氧化物－半導(dǎo)體構(gòu)成的MOS氣敏二極管，其利用半導(dǎo)體C－V特性隨吸附氣體濃度而改變的特性，通過測量平帶電壓的移動來檢測氣體。MOSFET氣敏器件Pd柵MOSFETH2探測器Pd對H2有獨特的溶解性和催化活性。Pd的原子間隙正好能讓H的原子自由通過，因此當氫吸附到Pd柵表面，將很快離解為氫原子進入到Pd與SiO2的表面，從而導(dǎo)致Pd的功函數(shù)變化，引起閾值電壓的變化。COMOSFET檢測器利用Pd－MOSFET在Pd層上做2um的孔，可以用于CO的檢測。在SiO2上濺射一層SnO2，再覆蓋10－15A的Pd，可以得到高靈敏度的CO檢測超微粒多功能集成化氣敏器件將直徑1－100nm的SnO2超微粉淀積到襯底上，形成多孔性柱狀膜，由于其表面積非常大，吸收率高，器件的工作溫度可以降低到100－150℃。應(yīng)用§7.5半導(dǎo)體離子敏感器件離子敏感器件由離子選擇膜和轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，以場效應(yīng)晶體管為轉(zhuǎn)換器，以其絕緣柵及特制于絕緣柵上的膜為敏感膜，構(gòu)成離子敏場效應(yīng)管（ISFET）。工作原理對于ISFET的參比電極置于電解液中，其電位為Φref，若柵極回路中外加?xùn)艍簽閂GS，則降落在FET絕緣層和半導(dǎo)體表面上的電壓V*GS:外加偏壓VGS恒定，參比電極電位為常數(shù)，則V*GS只隨φi變化。即在一定的源漏電壓下IDS將隨φi變化，因此通過測量IDS就可得到離子的活度。表面基模型擴散模型設(shè)溶液為等電位體，絕緣層與電解液接觸形成離子擴散導(dǎo)電直到熱動態(tài)平衡，使絕緣體表面的界面電荷及電位發(fā)生變化。絕緣體表面存在可離化的表面基團或表面基，離子與這些兩性表面相互作用，或釋放離子或吸收離子，表面處產(chǎn)生的電荷由溶液中相反電荷離子所中和，從而形成偶極層，產(chǎn)生界面電位。ISFET器件結(jié)構(gòu)為提高載流子遷移率和降低表面態(tài)電荷，一般ISFET基體選用在（100）晶面上的p－Si為襯底的n溝耗盡型器件。SiO2和Si3N4薄膜取100nm，以利于FET跨導(dǎo)的提高和VT的降低。采用P＋環(huán)隔離源漏間柵下以外的通路。采用大寬長比提高器件跨導(dǎo)。除絕緣柵外，其他部分用環(huán)氧樹脂保護。無機絕緣膜敏感膜的類型無機絕緣膜又稱為阻擋型界面，其使電解液和絕緣體界面無質(zhì)量和電荷的傳輸，其界面電勢由絕緣體表面吸附的帶電離子和電解液中極性相反的平衡電荷決定，其工作機理符合表面基模型。主要的薄膜有：SiO2、Si3O4、Al2O3、Ta2O5等四種膜對H＋的選擇特性（在VGS恒定，VDS＝0條件下測得）固態(tài)膜固態(tài)膜又稱非阻擋型離子交換膜。在電解液和膜的界面存在質(zhì)量和電荷的傳輸，并穿過表面進入膜體內(nèi)，其界面電勢由溶液中的離子濃度和膜內(nèi)離子濃度之差決定，平衡時化學(xué)勢相等。在FET的SiO2膜上利用真空蒸發(fā)、濺射、或化學(xué)氣相淀積等方法制備，其厚度遠大于德拜長度，能阻止其它離子進入固體相中，從而擴大可測離子范圍，提高測試靈敏度。主要薄膜有：AgBr、Ag2S、AgI、LaF3及硅酸鋁、硅酸硼等。玻璃體膜玻璃體膜也是一種非阻擋型離子交換膜。其基本結(jié)構(gòu)為SiO2－Al2O3－M2O，M為堿金屬，通稱MAS膜?？梢杂眉铀纸饣驗R射法制備。其工作機理是MAS水解后析出M＋，其和溶液中的H＋通過離子交換產(chǎn)生界面電位。主要薄膜有：NaAS、KAS、LiAS等有機高分子膜導(dǎo)電高分子膜屬于液體離子交換膜。分均勻和不均勻兩種。都是由基體、電活性物質(zhì)和增塑劑組成?；w主要是聚氯乙?。≒VC），電活性物質(zhì)隨檢測的離子種類而不同，增塑劑也就隨之而異。三種材料按比例并加入溶劑混合均勻，涂覆或濺射到FET絕緣柵上?；钚晕镔|(zhì)如是有機離子交換劑，將形成均勻膜，如是無機鹽類，將形成非均勻膜。主要薄膜有：K＋－ISFET、Ca＋－ISFET等ISFET的參數(shù)響應(yīng)特性ISFET的電流或電壓隨待測溶液中離子活度而變化的對應(yīng)關(guān)系。要求響應(yīng)范圍越寬越好，并具有良好的線性。階躍響應(yīng)特性與可逆特性當溶液中的離子活度突然發(fā)生變化時，器件的輸出是否能很快地變化到相應(yīng)的值。溶液中離子濃度從低到高和從高到低變化時器件的響應(yīng)特性如能重合，則器件是可逆的，否則為不可逆。靈敏度S待測離子活度變化10倍時其界面電位的改變量為ISFET的靈敏度。選擇系數(shù)Kij相同條件下，引起相同界面電位的待測離子活度和干擾離子活度之比。響應(yīng)時間電學(xué)響應(yīng)時間：在一定離子活度下，固定VDS，從ISFET接觸待測溶液開始，到IDS達到穩(wěn)定值的95％所需的時間?；瘜W(xué)響應(yīng)時間：在一定的偏置條件下，改變待測離子的活度αi，IDS達到穩(wěn)定值的95％所需的時間。生物膜敏感器件生物膜敏感器件（BIOFET）又稱電化學(xué)敏感器件，其敏感膜由生物或生物體內(nèi)的組織構(gòu)成，主要包括酶、微生物、抗原/抗體、器官細胞等。由于不同的酶僅對一種物質(zhì)催化反應(yīng)，因此其選擇