Utilizarea structurilor mosfet ca senzori chimici

Utilizarea structurilor mosfet ca senzori chimici

Notiuni preliminare

Dintre dispozitivele semiconductoare care teoretic sunt sensibile chimic, s-au dovedit mai eficiente tranzistoarele cu efect de camp in structura Si-SiO₂. Un camp electric normal pe suprafata dispozitivului poate controla densitatea sarcinii superficiale. Daca aceasta sarcina sau o fractiune a ei este mobila atunci schimbarile induse de campul exterior au ca rezultat modificari masurabile ale conductivitatii electrice a stratului superficial.

CHEMFET-urile isi bazeaza functionarea pe modificari ale conductantei de suprafata produse de variatii ale unei tensiuni electrochimice.

In forma sa uzuala este un tranzistor cu efect de camp cu poarta izolata [11] de obicei plasata pe o structura sensibila chimic mai complexa. Structura sensibila este dispusa intr-un asemenea mod incat potentialele generate chimic sa se insumeze algebric tensiunii aplicate din exterior portii.

Principiile fizice care stau la baza functionarii tranzistorului MOSFET, ca si caracteristicile acestuia sunt cunoscute si prezentate in multe lucrari (Sze, S.M. "Physics of Semiconductor Devices". Wiley, New York, 1981, Muller, R.S. and Kamins, T.I., "Devices Electronics for Integrated Circuits", Wiley, Ney York, 1977, Stere R., Ristea I., Bodea M. "Tranzistoare cu efect de camp", Editura Tehnica, Bucuresti, 1972), .

Rezultatul analizei functionarii tranzistorului cu efect de camp exprima curentul de drena I_D, functie de tensiunile aplicate, materialul si dimensiunile dispozitivului:

(13.32)

(13.33)

in care este mobilitatea electronilor in canalul superficial, reprezinta capacitatea pe unitatea de suprafata a stratului izolator de oxid, W latimea canalului, L lungimea acestuia, iar V_G, V_D, V_P sunt potentialele de poarta, drena si prag.

In cazul unui CHEMFET ecuatiile (1) si (2) se pot modifica intr-o forma in care apare explicit dependenta curentului de drena de energia chimica [9].

(13.34)

(13.35)

in care: este activitatea unui ion, este potentialul electrodului de referinta, reprezinta numarul purtatorilor de sarcina, iar F este constanta lui Faraday. Pentru tensiunea de prag se obtine [11]:

(13.36)

in care V_N este tensiunea aplicata pe grila necesara realizarii conditiei de benzi netede cand campul la suprafata siliciului este nul, reprezinta functia lucrului de iesire pentru metalul electrodului poarta, este afinitatea pentru electroni a semiconductorului, E_g banda de energie interzisa in semiconductor, este potentialul corespunzator diferentei dintre nivelul Fermi in volumul siliciului si nivelul de energie de la mijlocul benzii interzise, Q_s este densitatea de suprafata a sarcinii in stratul de oxid al portii, Q_B este sarcina din regiunea golita, sau sarcina din volum, iar si semnifica grosimea si respectiv permitivitatea stratului de oxid. Se observa ca V_N, deci si V_P depinde liniar de functia de lucru de iesire a metalului portii. influenta celorlalti parametri fiind importanta pentru stabilitatea dispozitivului.

2. Structuri MOS sensibile chimic

Dependenta caracteristicilor dispozitivului de anumiti parametri chimici asa cum se deduce din relatiile (13.34), (13.35) si (13.36), face posibila utilizarea structurilor MOSFET ca senzori chimici. Exista trei categorii importante de astfel de structuri sensibile chimic [10]:

1. ADFET: care este realizat dintr-un MOSFET fara poarta, cu un strat foarte subtire de oxid (5 mm) (figura 1.a). Fiind expus intr-un mediu de gaze care au un dipol permanent (NH₃, HCl, CO) moleculele sunt absorbite de suprafata de SiO₂. Stratul de oxid fiind extrem de subtire, campul marginal al moleculelor absorbite pot afecta curentul de drena. Dispozitivul este instabil fiind vulnerabil la interferente electrice si contaminari. Aceste inconveniente se pot elimina cel putin in parte daca se realizeaza o poarta policristalina la o distanta foarte mica de canal, care asigura o ecranare electrostatica si permite conditii de exploatare mai eficiente. (figura 13.50.b)

2. MOSFET cu poarta de Paladiu este un tranzistor MOS la care poarta obisnuita din Al este inlocuita cu o poarta din paladiu, un metal activ puternic cata-lizator care poate descom-pune moleculele de H₂ in atomi de hidrogen si acestia difuzeaza prin stratul subtire de Pd (10 mm). Atomii de hidrogen disociati se com-porta la interfata Pd - SiO₂ ca dipoli influentand curentul de drena. (figura 13.51)

3. ISFET este un MOSFET - fara contact de poarta la care curentul de drena depinde de concentratia de ioni (H, Na, K) din electrolitul in care este scufundat. La o astfel de structura (figura 13.52) suprafata de oxid este acoperita cu un strat organic care realizeaza o membrana selectoare de ioni. Uneori un strat metalic este plasat intre izolator si membrana.

Poarta ISFET-ului este pozitionata la o anumita distanta de substratul de siliciu si in unele cazuri reprezinta electrodul de referinta.

3. Senzori de hidrogen

Dispozitivul MOS cu poarta de paladiu poate fi folosit ca detector sensibil la hidrogen in aer, in oxigen sau in alte medii. Uzual lucreaza la o temperatura ridicata 60-150 C pentru un raspuns mai rapid si pentru a evita absorbtia apei, dar pot functiona si la temperaturi de 25 C.

In figura 13.53 este prezentata o schema simpla care ilustreaza principiul de masurare a concentratiei de hidrogen. Tranzistorul este conectat ca o dioda MOS caracteristica acesteia fiind data de expresia:

(13.37)

in care L este lungimea canalului, iar C_G capacitatea portii. Daca curentul prin tranzistor este constant, tensiunea la borne va depinde liniar de V_P. Tranzistorul este incalzit si plasat intr-un curent de H₂ de concentratie controlabila cu ajutorul unui debitmetru. In figura 13.54 sunt repre-zentate variatiile tensiunii de prag in functie de presiunea de hidrogen, variatii obtinute cand concentratia de gaz a fost modificata de la aer, la aer cu H₂.

Rezultatele verifica o ecuatie care are forma unei izoterme Langmuir:

(13.38)

in care este variatia de tensiune maxima observabila, C este o constanta, iar este presiunea partiala a hidrogenului. Dispozitivul este sensibil la hidrogen putand fi detectate concentratii mai mici de 1 ppm.

Hidrogenul molecular disociaza in hidrogen atomic pe suprafete de paladiu. Atomii de hidrogen absorbiti se comporta ca niste dipoli la suprafata de separatie Pd - SiO₂ si schimba functie de lucru a metalului f_m, determinand modificarea tensiunii de prag a tranzistorului (relatia (13.33)). Stratul de dipoli genereaza o tensiune suplimentara in serie cu tensiunea aplicata din exterior.

Cand dispozitivul este folosit pentru detectarea hidrogenului in prezenta oxigenului, sensibilitatea se poate reduce chiar cu 4 ordine de marime. Aceasta se explica prin formarea apei, ceea ce duce la o acoperire mult mai mica cu dipoli a interferentei Pd - SiO₂. Acest proces permite folosirea senzorului ca detector de oxigen.

Dependenta de presiune de oxigen poate fi aproximata prin relatia:

(13.39)

Timpul de raspuns al dispozitivului cu poarta de paladiu este de ordinul a 5 secunde pentru 50 ppm in aer la 150 si creste cu presiunea de hidrogen.

Dispozitivele cu poarta de paladiu sunt sensibile si la alte gaze cum ar fi sulfitul de hidrogen (H₂S), amoniacul (NH₃) etc.

In functionarea dispozitivului MOSFET cu poarta de Pd apar si efecte nedorite cum sunt: driftul punctului de zero, driftul indus de hidrogen si lipsa de raspuns in oxigen. Driftul punctului de zero consta in mici variatii ale tensiunii corespunzatoare concentratie zero a gazului detectat. El se datoreaza driftului normal intr-o structura MOS si poate fi redus prin micsorarea grosimii stratului de oxid.

Driftul de hidrogen indus consta intr-o crestere lenta a diferentei de potential care urmeaza celei normale. Cand hidrogenul este indepartat, variatia normala a tensiunii dispare in aproximativ 10 secunde, dar variatia lenta se pastreaza timp de cateva ore ca si cum tensiunea nu ar mai reveni la valoarea initiala.

Originea driftului de hidrogen indus se afla la interfata metal - SiO₂ si este cauzat de absorbtia lenta a hidrogenului in spatiile din oxid. Experimental s-a constatat ca driftul de hidrogen indus poate fi redus, sau chiar anulat prin introducerea unui strat subtire din oxid de aluminiu intre Pd si SiO₂ (figura 13.55.).

Dintre posibilele apli-catii ale structurilor MOS sensibile chimic, se pot enumera: detectoare de scurgeri de gaze, detectoare de incendiu, dispozitive pentru supravegherea reactiilor biochimice si diagnostic medical, dispozitive pentru supravegherea oxigenului sau hidrocarburilor.