Вплив ємності просторового заряду на газореактивний ефект в напівпровідникових сенсорах газу

Abstract

Розглянуто механізм виникнення просторового заряду в приповерхневій області напівпровідникових сенсорів газу, що приводить до появи диференціальної ємності, яка залежить від концентрації вимірюваних газів. Розв’язок рівняння Пуассона показав, що диференціальна ємність просторового заряду приповерхневої області напівпровідникових сенсорів газу експоненційно залежить від поверхневого потенціалу, залежного від концентрації досліджуваних газів. Ємність приповерхневого шару просторового заряду напівпровідникових сенсорів газу залежить від поверхневого потенціалу, зміна якого визначається дією на поверхню сенсора певною концентрацією досліджуваних газів. Зміна реактивної складової повного опору напівпровідникових сенсорів від концентрації досліджуваних газів описує суть газореактивного ефекту, що у свою чергу, дозволяє отримати залежність вихідної частоти від концентрації діючих газів в автогенераторних перетворювачах. Для домішкових напівпровідників залежність диференційної ємності приповерхневого шару від безрозмірного електростатичного потенціалу на поверхні напівпровідника буде мати зсув мінімуму для зразків n-типу у бік від’ємних, а для зразків p-типу — у бік позитивних значень поверхневого електростатичного потенціалу. Проведені експериментальні дослідження залежності ємності газового сенсора типу АЧЕ виробництва України від зміни концентрації метану за різних напруг живлення автогенераторного перетворювача показали достатню зміну. Дослідження проведено на основі частотного методу, в якому концентрація газу перетворюється у частотний вихідний сигнал. Експериментальна залежність зміни ємності шару просторового заряду газового сенсора від зміни концентрації метану, що діє на сенсор, підтверджує теоретичний хід ємності просторового заряду від зміни поверхневого потенціалу, яка змінюється від одиниць до шістдесяти пікофарад.

The paper discusses the mechanism of the appearance of the space charge in the near-surface region of semiconductor gas sensors, which leads to the appearance of a differential capacitance, which depends on the concentration of the meas-ured gases. Solving the Poisson equation showed that the differential capacitance of the space charge of the surface region of semiconductor gas sensors depends exponentially on the surface potential, which varies with the concentration of the measured gases. The capacity of the near-surface layer of the space charge of semiconductor gas sensors depends on the surface potential, the change of which is determined by the effect on the sensor surface by a certain concentration of the measured gases. The change in the reactive component of the impedance of semiconductor sensors to the concentration of the measured gases describes the essence of the gas-reactive effect, in turn, makes it possible to obtain the dependence of the output frequency on the concentration of active gases in self-oscillating transducers. For impurity semiconductors, the dependence of the differential capacitance of the surface layer on the dimensionless electrostatic potential on the semicon-ductor surface will have a minimum bias for n-type samples towards negative, and for p-type samples — towards positive values of surface electrostatic potential. Experimental studies of the dependence of the capacitance of the gas sensor of the ACE type, made in Ukraine, on the change in methane concentration at different supply voltages of the autogenerator converter showed a sufficient change. The study was conducted on the basis of the frequency method, in which the gas concentration is converted into a frequen-cy output signal. The experimental dependence of the change in the capacitance of the spatial charge layer of the gas sensor on the change in methane concentration, acts on the sensor, which confirms the theoretical variation of the capacity of the space charge on the change in surface potential, which varies from units to sixty picofarads.

Рассмотрен механизм возникновения пространственного заряда в приповерхностной области полупровод-никовых сенсоров газа, вызывающий появление дифференциальной емкости, которая зависит от концентрации исследуемых газов. Решение уравнения Пуассона показало, что дифференциальная емкость пространственного заряда приповерхностной области полупроводниковых сенсоров газа экспоненциально зависит от поверхност-ного потенциала, изменяющегося от концентрации исследуемых газов. Емкость приповерхностного слоя про-странственного заряда полупроводниковых сенсоров газа зависит от поверхностного потенциала, изменение которого определяется воздействием на поверхность сенсора исследуемых газов определенной концентрации. Изменение реактивной составляющей полного сопротивления полупроводниковых сенсоров от концентрации исследуемых газов описывает суть газореактивного эффекта, в свою очередь, позволяет получить зависи-мость выходной частоты от концентрации действующих газов в автогенераторных преобразователях. Для примесных полупроводников зависимость дифференциальной емкости приповерхностного слоя от безразмерно-го электростатического потенциала на поверхности полупроводника будет иметь смещение минимума для образцов n-типа в сторону отрицательных, а для образцов p-типа — в сторону положительных значений по-верхностного электростатического потенциала. Проведенные экспериментальные исследования зависимости емкости газового сенсора типа АЧЕ, производ-ства Украины, от изменения концентрации метана при различных напряжениях питания автогенераторного преобразователя показали достаточное изменение. Исследование проведено на основе частотного метода, в котором концентрация газа преобразуется в частотный выходной сигнал. Экспериментальная зависимость изменения емкости слоя пространственного заряда газового сенсора от изменения концентрации метана, действует на сенсор, что подтверждает теоретический ход емкости про-странственного заряда от изменения поверхностного потенциала, которая меняется от единиц до шестиде-сяти пикофарад.