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(hào)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(dòng)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(hù)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜各種氣體敏感元器件采用無(wú)機(jī)材料的氣體敏感元件氣體敏感元器件分類(lèi)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(lái)檢測(cè)還原性氣體。這類(lèi)敏感元件的優(yōu)點(diǎn)是制作工藝簡(jiǎn)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(wèn)題是選擇性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。分類(lèi)采用有機(jī)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(fù)離子吸附。氧氣等具有負(fù)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?xì)浠锖痛碱?lèi)等具有正離子吸附傾向的氣體被稱為還原型氣體。當(dāng)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(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)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(shí)，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(xì)多孔結(jié)構(gòu)。其對(duì)氣體敏感的機(jī)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(jià)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(duì)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(méi)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(dá)到最大。此時(shí)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(dāng)組合，不但可改善器件特性，還能提高氣體選擇能力。常見(jiàn)陶瓷氣敏元件常見(jiàn)的陶瓷氣敏材料主要有：SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2等。材料特性檢測(cè)氣體SnO2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便宜，靈敏度高，工作溫度低；一致性較差可燃?xì)怏w：甲烷、丙烷、一氧化碳、氫、酒精、石油氣等Fe2O3對(duì)乙醇、水汽不敏感，受環(huán)境溫度、濕度影響小，無(wú)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(chē)控燃比控制，內(nèi)燃機(jī)、窯爐尾氣檢測(cè)，廢水測(cè)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(shì)壘下降，正向電流增加來(lái)檢測(cè)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(guò)測(cè)量平帶電壓的移動(dòng)來(lái)檢測(cè)氣體。MOSFET氣敏器件Pd柵MOSFETH2探測(cè)器Pd對(duì)H2有獨(dú)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(guò)，因此當(dāng)氫吸附到Pd柵表面，將很快離解為氫原子進(jìn)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(cè)器利用Pd－MOSFET在Pd層上做2um的孔，可以用于CO的檢測(cè)。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(cè)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管（ISFET）。工作原理對(duì)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(guò)測(cè)量IDS就可得到離子的活度。表面基模型擴(kuò)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(kuò)散導(dǎo)電直到熱動(dòng)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(tuán)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(zhǎng)比提高器件跨導(dǎo)。除絕緣柵外，其他部分用環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)。無(wú)機(jī)絕緣膜敏感膜的類(lèi)型無(wú)機(jī)絕緣膜又稱為阻擋型界面，其使電解液和絕緣體界面無(wú)質(zhì)量和電荷的傳輸，其界面電勢(shì)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(jī)理符合表面基模型。主要的薄膜有：SiO2、Si3O4、Al2O3、Ta2O5等四種膜對(duì)H＋的選擇特性（在VGS恒定，VDS＝0條件下測(cè)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(guò)表面進(jìn)入膜體內(nèi)，其界面電勢(shì)由溶液中的離子濃度和膜內(nèi)離子濃度之差決定，平衡時(shí)化學(xué)勢(shì)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(yuǎn)大于德拜長(zhǎng)度，能阻止其它離子進(jìn)入固體相中，從而擴(kuò)大可測(cè)離子范圍，提高測(cè)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?yàn)R射法制備。其工作機(jī)理是MAS水解后析出M＋，其和溶液中的H＋通過(guò)離子交換產(chǎn)生界面電位。主要薄膜有：NaAS、KAS、LiAS等有機(jī)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。基體主要是聚氯乙?。≒VC），電活性物質(zhì)隨檢測(cè)的離子種類(lèi)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?yàn)R射到FET絕緣柵上。活性物質(zhì)如是有機(jī)離子交換劑，將形成均勻膜，如是無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，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(cè)溶液中離子活度而變化的對(duì)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(dāng)溶液中的離子活度突然發(fā)生變化時(shí)，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(shí)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(cè)離子活度變化10倍時(shí)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(cè)離子活度和干擾離子活度之比。響應(yīng)時(shí)間電學(xué)響應(yīng)時(shí)間：在一定離子活度下，固定VDS，從ISFET接觸待測(cè)溶液開(kāi)始，到IDS達(dá)到穩(wěn)定值的95％所需的時(shí)間。化學(xué)響應(yīng)時(shí)間：在一定的偏置條件下，改變待測(cè)離子的活度αi，IDS達(dá)到穩(wěn)定值的95％所需的時(shí)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(xì)胞等。由于不同的酶僅對(duì)一種物質(zhì)催化反應(yīng)，因此其選擇