автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Создание и исследование датчиков для приборов контроля параметров окружающей среды на основе стеклообразных полупроводников

Введение.

Глава 1. Обзор датчиков, измеряющих параметры окружающей среды, на основе полупроводников.

1.1. Об измерении параметров окружающей среды.

1.2. Полупроводниковые гетеропереходы и их использование при создании фотоприемников.

1.2.1. Классификация гетеропереходов и их модели.

1.2.2. Технология изготовления гетеропереходов и применяемые материалы.

1.2.3. Электрические и фотоэлектрические свойства гетеропереходов.

1.2.4. Фотоприемники на основе гетеропереходов.

1.3. Датчики влажности.

1.3.1. Обзор тонкопленочных датчиков влажности и их конструктивных особенностей.

1.3.2. Пьезорезонансные датчики влажности и их применение.

1.4. Обзор полупроводниковых датчиков температуры.

Выводы к главе 1.

Постановка задачи.

Глава 2. Изучение свойств структур, использованных для изготовления фотоприемников, и исследование характеристик фотоприемников.

2.1. Фотоприемники на основе гетеропереходов ОаАэ - ХСП.

2.2. Фотоприемники на основе гетеропереходов БпОг - ХСП.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Исследование характеристик датчиков влажности и многофункционального датчика.

3.1. Характеристики резистивных тонкопленочных датчиков влажности на основе ХСП.

3.2. Характеристики пьезорезонансных датчиков влажности с

ХСП в качестве адсорбирующего слоя.

3.3. Характеристики многофункционального датчика.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Изготовление первичных преобразователей на основе ХСП

4.1. Изготовление фотоприемников.

4.1.1. Фотоприемники на основе гетеропереходов ваАБ-ХСП.

4.1.2. Фотоприемники на основе гетеропереходов БпОг-ХСП.

4.2. Изготовление резистивных тонкопленочных датчиков влажности.

4.3. Изготовление пьезорезонансных датчиков влажности на основе ХСП.

4.4. Изготовление многофункционального датчика для контроля параметров окружающей среды.

4.5. Описание статистических методов, их применимость.

4.6. Применение критерия Пирсона для определения технологических отклонений при изготовлении фотоприемников.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Гигрометр на основе пьезорезонансного датчика влажности.

5.1. Описание прибора.

5.2. Параметры пьезорезонансного измерителя влажности воздуха.

Выводы к главе 5.

Выводы.

В настоящее время резко возросло значение измерений, как источника объективной информации о величинах, характеризующих эффективность и качество производственных процессов, состояние и свойства окружающей среды [1]. В этой связи к измерительным приборам предъявляются повышенные требования в отношении точности измерений, быстродействия приборов, повышения надежности, уменьшения массы и габаритов, экономичности питания. Действие этих приборов основано на работе первичных преобразователей, так как именно первичный преобразователь и датчик основанный на нем, как правило, определяют конструкцию прибора, точность и надежность измерений. Следовательно, разработка усовершенствованных первичных преобразователей, датчиков и измерительных приборов, работающих на их основе, является актуальной задачей [2].

Решить эту задачу можно с одной стороны, совершенствуя конструкции уже имеющихся первичных преобразователей, а с другой стороны, создавая датчики, работающие на основе новых материалов. Поэтому ведется активный поиск таких материалов, которые позволят создать более совершенные датчики.

Одним из классов материалов, на основе которых могут быть созданы новые разновидности датчиков, а также улучшены параметры уже известных, являются халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП) [3,4]. Особенности строения стеклообразных полупроводников предопределяют их основные физические свойства и делают стеклообразные полупроводники уникальными материалами со специфическими характеристиками.

Перспективным направлением использования ХСП является возможность создания на их основе гетероструктур. Гетероструктуры позволяют решить

-5 проблему управления основными параметрами полупроводниковых приборов: шириной запрещенной зоны, электронным энергетическим спектром, эффективными массами носителей и т.д. Эти структуры уже нашли свое применение в полупроводниковой электронике, в частности при изготовлении фотоприемников, работающих в различных частях спектра. Однако работы в этом направлении далеки от завершения [5].

Халькогенидные стеклообразные полупроводники могут быть использованы при создании датчиков влажности, так как исследования свойств стеклообразных полупроводников показали, что проводимость пленок ХСП меняется при адсорбции влаги из окружающей газовой среды [6]. Поэтому в качестве чувствительного слоя в датчике влажности может быть использована пленка стеклообразного полупроводника.

Поскольку проводимость пленок ХСП зависит от температуры, влажности и освещенности, то на основе этих материалов могут быть созданы датчики, позволяющие одновременно измерять два или три этих параметра.

Целью данной работы является разработка полупроводниковых структур на основе ХСП, исследование их свойств, создание на исследованных структурах первичных преобразователей и датчиков для контроля параметров окружающей среды, исследование параметров этих датчиков, а также создание приборов на их основе.

Основные результаты диссертации отражены в работах : [4], [72], [73], [79]- [81], [83]-[85], [98].

- 144-Заключение

В рамках данной диссертационной работы сделаны новые разработки в области средств измерения, а именно, созданы первичные преобразователи для контроля таких параметров как влажность, температура и освещенность. Датчики влажности и освещенности были созданы на основе новых материалов - халькогенидных стеклообразных полупроводников двойных и тройных систем. Отличительной особенностью полученных датчиков является простота технологии изготовления, дешевизна, стабильность параметров, что делает эти датчики перспективными для применения в измерительной технике, в том числе и для разработки на их основе измерительных комплексов.

Применение ХСП в качестве чувствительного слоя позволило создать универсальный первичный преобразователь, который может одновременно измерять три параметра окружающей среды: влажность, освещенность и температуру. Многофункциональный датчик на основе такого преобразователя дает возможность упростить измерительную схему, контролирующую эти параметры. Датчик целесообразно использовать при создании систем контроля, а также для автоматической регулировки параметров окружающей среды в помещениях, где необходимо поддерживать определенную влажность, освещенность и температуру.

Поставленная перед диссертантом задача полностью выполнена, однако возможности использования ХСП при разработке первичных преобразователей на этом не исчерпываются. Работы в данном направлении следует продолжать. Так, необходимо продолжить работу по усовершенствованию технологии изготовления первичных преобразователей, чтобы добиться хорошей воспроизводимости параметров датчиков, созданных на основе этих преобразователей, а также, по возможности, улучшения параметров датчиков.

- 145

Следует также продолжить исследования в направлении поиска новых материалов для создания первичных преобразователей, позволяющих улучшить характеристики датчиков для контроля параметров окружающей среды.

Еще одним важным направлением работы является разработка на основе созданных датчиков приборов для широкого пользования. Так, на основе пьезорезонансного датчика в нашей лаборатории создан измеритель влажности газовой среды. Такой прибор надежный, простой в использовании, не уступающий по своим параметрам промышленным аналогам, а по динамическим характеристикам превосходящий их, по мнению автора, займет достойное место среди других измерителей влажности.

- 146

1. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения. -Л.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.

2. Виглеб Г. Датчики: Устройство и применение/ Пер. с нем. М.А. Хацернова. -М.: Мир, 1989. 196 с.

3. Электронные явления в халькогенидных стеклообразных полупроводниках/ под ред. К.Д. Цендина. СПб.: Наука, 1996. - 486 с.

4. Аржанухина И.П., Корнев К.П. Халькогенидные стеклообразные полупроводники. Проблемы использования// Вестник СПбО РАЕН. 1998. -№ 2(3). - С.266-269.

5. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур// ФТП. 1998. - Т. 32. - Вып. 1. - С.3-18

6. Коломиец Б.Т., Корнев К.П., Кочемировский A.C., Пивоварова Л.В., Мамонтова Т.Н. Влияние заряжения поверхности на электрофизическиесвойства стеклообразного селенида мышьяка// ЖТФ. 1982. - Т. 52. - Вып. 2. - С.2454-2427.

7. Подлепецкий Б.И. Пути создания новых типов датчиков на основе микроэлектронных элементов и компонентов // X Юбилейная науч-техн. конференция «Датчик-98».- М.: МГИЭМ. -1998. -Т.1. С. 12-14.

8. Филаретов Г.Ф. Датчики для контроля параметров сред // X Юбилейная науч-те*н. конференция «Датчик-98».- М.: МГИЭМ. -1998. -Т.1. С. 100-101.

9. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин.- Л.: Энергоатомиздат, Ленинград, отд-е, 1983. 320 с.

10. Шарма Б.Л., Пухорит Р.К. Полупроводниковые гетеропереходы/ Пер. с англ. Ю.В.Гуляева. М.: Сов. Радио, 1979. - 227 с.

11. Симашкевич A.B. Гетеропереходы на основе полупроводниковых соединений AHB1V. Кишинев: Штиинца, 1980. -156 с.- 14712. Бехштедт Ф., Эндерлайн Р. Поверхности и границы раздела полупроводников/ Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 488 с.

12. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах/ Пер. с англ А.Е. Дракина; Под ред. П.Г. Елисеева. М.: Мир, 1981.-Т.2.-364 с.

13. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры: Пер. с англ./ Под ред. Л.Ченга, К.Плога. М.: Мир, 1989 - 584с.

14. Anderson R.L. Experiments on Ge-GaAs heterojunctions//Solid State Electron. -1962.-5.-№9-10.-P.341-351.

15. Dolega V. Theorie p-n Kontaktes zwischen Halbleitern mit verschiedenen Kristallgittern// Z.Naturforsch. 1963. - 18a. - № 5. - S.653-666.

16. Van Opdorp C.J.M. Thesis. Thechnische Hogeschool. Eindhoven. Netherlands. - 1969.

17. Rediker R.H., Stopek S., Ward J.H.R. Interface-alloy epitaxial heterojunctions// Solid State Electron. 1964. - 7. - № 8.- P.621-629.

18. Мотт H., Генри Р. Электронные процессы в ионных кристаллах/ Пер. с англ. Под ред. А.Ф.Иоффе. М.: ИЛ. - 1950. - гл.У

19. Милне А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. -М.: Мир, 1975.-432 с.

20. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники. М.: Высш. шк., 1986. - 367 с.

21. Donelly J.P., Milnes A.G. Current-voltage characteristics of p-n Ge- Si and Ge-GaAs heteroj unctions// Proc. IEEE. 1966. - 113. - № 9. - P. 1468-1476.

22. Алферев Ж.И., Корольков В.И., Трукан M.K. Электрические свойства p-n-гетеропереходов фосфид галлия арсенид галлия// ФТП. - 1966. - Т.8. -Вып.12.-С. 3513.

23. Дементьев И.В., Панасюк Л.М. Электрические и фотоэлектрические свойства гетероструктуры п-Сс18-р-А828ез// Физические процессы в гетеропереходах. Кишинев. - 1974. - С. 93.

24. Тюрин Ю.Г. и др. Исследование свойств тонкопленочной гетероструктуры п-Сё8е-р-8Ь28е3// Физические процессы в гетеропереходах. Кишинев.1974.-С.113.

25. Берман Л.С., Любин В.М., Федорова Г.А. Электрические и фотоэлектрические свойства пленочной гетероструктуры селенид кадмия аморфный полупроводник// Электронная техника. - сер. 4. - Электровакуумные и газоразрядные приборы. - 1973. - Вып. 9. - С. 26.

26. Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики: Пер. с англ./ Фонаш С., Ротворф А., Казмерски Л. и др., Под ред. Т. Коутса, Дж. Минина. -М.: Мир, 1988.- 307 с.

27. Викулин И.М., Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики. М.: Сов.радио,1975.- 104 с.

28. Амброзяк А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов/ Пер. с польск., под ред. Б.Т. Коломийца.- М.: Сов.радио, 1970.-392 с.

29. Анисимова И.Д., Викулин И.М., Заитов Ф.А., Курмашев Ш.Д. Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра/ Под ред. Стафеева. М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

30. Аверьянов Т.В., Анисимова И.Д., Рудовол Т.В., Стафеев В.И. Фотоэлектрические свойства гетеропереходов р-Оа1„хА1хАз-ьОаАз-п-СаАз// Радиотехника и электроника. 1976. - 21. - №12. - С. 2563-2567.- 149

31. Шур М. Физика полупроводниковых приборов/ Пер. с англ. Под ред. Биленко Ю.Д., Видро В.Л. М.: Мир, 1992. - Т.2. - 294 с.

32. Bidadi Н., Kalafi М., Valy R. And Bairamov A.I. Realization of CuInSe2/GaAs heterojunctions for photovoltaic conversion // Indian J.Phis. 1995. - 69A(3). - P. 329-333.

33. Мирсагатов III.А., Айтбаев Б.У., Рубинов B.M. Фотоприемники с управляемым спектром фоточувствительности// ФТП. 1996. -30. - № 3. - С.550-557.

34. Yamato Т. at al. A New Silicon Vidicon with a CdTe-Si Target// IEEE Transaction on Electron Devices. 1972. - vol. ED-19. - № 3. - P.385.

35. Кленов B.T., Кузнецов Ю.А., Манагаров В.Д., Федотов Я.А. Передающие телевизионные трубки с кремниевыми мишенями кремниконы и супер-кремниконы// Микроэлектроника и полупроводниковые приборы, М.: Сов. радио, 1976. - Вып. 1.- с.263.

36. Квасков В.Б. Полупроводниковые приборы с биполярной проводимостью. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 128 с.

37. Основы оптоэлектроники/ Пер. с яп.- М.: Мир, 1988. 288 с.

38. Дричук А.Г., Сидоров В.Г., Сидоров Д.В., Шагалов М.Д. Фотоприемник с переключением и памятью на гетероструктуре CdS-GaN// Письма в ЖТФ. -1997. Т.23. - Вып. 20. - С.75-78.

39. Измерительные преобразователи и приборы для измерения влажности газов// Контрольно-измерительная техника. 1993. - 8.- С.13-21.

40. Берлинер М.А. Электрические методы и приборы для измерения и регулирования влажности. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. 310 с.

41. Петухов В.П. Гигрометры точки росы и перспективы их развития// Измерительная техника.- 1989.- № 2.- С.46-48.

42. Зайцев В.А., Ледохович A.A., Никандрова Г.Т. Влажность воздуха и ее измерение. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 112 с.- 15046. Бегунов A.A. Теоретические основы и технические средства гигрометрии. -М.: Изд-во стандартов, 1988. 176 с.

43. Емкостный датчик влажности//Контрольно-измерительная техника. 1993. -29.-С.16.

44. Свойства емкостных тонкопленочных влагомеров// Контрольно-измерительная техника. 1993. - 42. - С.8-22.

45. A.c. 1646384 AI (СССР). Датчик влажности газов и способ его изготовления/ Ин-т новых хим. проблем; авт. изобрет. С.А. Шерстнов С.А., H.H. Вершинин, Ю.И. Малов. Заявл. 05.05.89, № 4687002/25.

46. A.c. 1222034 А (СССР). Датчик влажности газов/ Специализированное конструкторско-технолог. бюро твердот. электроники с опытн. пр-вом

47. Ин-та прикладной ф-ки АН МССР; авт. изобрет. A.M. Андриеш, В.И. Верлан, И.Г. Глянько, М.С. Иову, E.JI. Романюк, М.Р. Черний. Заявл. 05.07.84, № 3766921/24-25.

48. A.c. 541137 (СССР). Датчик влажности газов/ Всесоюз. науч.-исслед. ин-т аналитич. приборостр-я ; авт. изобрет. А.К. Терещенко, В.П. Холод, Е.С. Опанасенко, B.JI. Татиевский. Заявл. 24.01.75, № 2099548/25.

49. A.c. 1660501 AI (СССР). Способ изготовления датчика влажности резис-тивного типа/ Физ-тех. ин-т им. C.B. Стародубцева; авт. изобрет. Б.У. Аитбаев, А. Зарнипов, В.М. Рубинов. Заявл. 19.10.89, № 4768995/25.

50. Лазутин В.Н., Вернекке Р. Сравнительные характеристики датчиков влажности воздуха// Измерительная техника. 1991. -№ 8. - С.55-56.

51. Петербургская электронная компания Датчики влажности//СЫр news. -1997. -№5-6(14-15). -с.56.- 151

52. A.c. 1702247 AI (СССР). Датчик точки росы/ Особ, констр-е бюро при саратовском з-де «Контакт»; авт. изобрет. А.А.Сергеев, А.Н. Абрамов. -Заявл. 26.12.89, № 4793062/25.

53. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989. -272 с.

54. Савкун JI.3., Рудых И.А., Дрянов А.Н., Иващенко В.Е. Пьезосорбционные гигрометры//Измерительная техника. 1982. -№10. - С.52-54.

55. King W.H. The state-of-the-art in Piezoelectric Sensors// Proc. AFCS. 1971. -№25. - P.55-73.

56. Бутурлин А.И., Дикевич А.Я., Крутоверцев C.A., Овчинников E.H. Индикатор микровлажности и концентрации кислорода в водороде ОКА-1//Электронная промышленность. 1982. -Вып. 8(114).- С.63.

57. King W.H. Using quartz crystals as sorption detectors // Res.Develop. 1969. -Vol. 20. - №2. - P.28-34, №5. - P.29-33.

58. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978. - 704 с.

59. Осипович JI.A. Датчики физических величин. М.: Машиностроение, 1979. -159 с.

60. V.Venkataraman Si, Si-Ge and the new heterostructure world// Current Science. -1994.-67.-№ 11.-P. 855-858.

61. Елисеев П.Г. Инжекционные лазеры на гетеропереходах// Квантовая электроника. 1972. - 6. - С.З.

62. Andriesh A.M., Akimova Е.А., Bivol V.V., Khancevskaya E.G., Iovu M.S., Malkov S.A., Verlan V.l. Metal semiconductor amorphous thin film - metal structures: properties and application// Int. J. Electron. - 1994. - 77. - №3.- P. 339-342.

63. Аверьянов В.Л., Звонарева Т.К., Любин В.М. Электрические свойства контакта модифицированный ^модифицированный стеклообразный As2Se3 // ФТП. - 1992. - 26. - № 5. - С. 918-920.

64. Андриеш A.M., Бивол В.В., Верлан В.И., Ефремушкин Б.В., Иову М.С., Руссу Э.В., Ханчевская Е.Г. Некоторые фотоэлектрические свойства гетеро-структур p-InP-As2Se3// Стеклообразные полупроводники.- Л.: Изд-во ФТИ, 1985.-С. 42-43.

65. Кочемировский A.C., Корнев К.П. Фотоэмиссионные исследования контактов металл аморфная полупроводниковая пленка// Стеклообразные полупроводники.- Л.: Изд-во ФТИ, - С. 80-81.

66. Аржанухина И.П., Корнев К.П., Селезнев Ю.В. Спектры фоточувствительности гетероперехода арсенид галлия аморфная пленка трисульфида мышьяка// Известия Вузов. Физика. -1999.- №1.- С. 3-8.

67. Аржанухина И.П., Корнев К.П., Селезнев Ю.В. Исследование спектров фоточувствительности гетероперехода n-GaAs-As2Se3// ФТП. Т.ЗЗ. - Вып.1, С.64-67.

68. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических полупроводниках. -М.: Мир, 1974. 472 с.

69. Кесаманлы Ф.Н., Наследов Д.Н. Арсенид галлия. Получение и применение. -М.: Наука, 1973.-471 с.- 153

70. Корнев К.П. Исследование фотоэлектрических свойств гетеропереходов арсенид галлия аморфная пленка. - Калининград, 1986. - 30 с. - Рукопись представлена Калинингр. ун-том. Деп. в ВИНИТИ 19 нояб 1986, № 8021-В86.

71. Соммер А.Х. Фотоэмиссионные материалы. -М.: Мир, 1972. 412 с.

72. Корнев К.П. Фотоэмиссионные исследования электронной структуры халькогенидных стеклообразных полупроводников. Дисс.канд. физ-мат. наук. - Ленинград, 1984. - 191 л.

73. Аржанухина И.П., Корнев К.П., Селезнев Ю.В. Изготовление и исследование гетеропереходов 8пО2-А82(8е0.9Те о.Оз и 8пО2-(А80.б78Ь0.зз)28е3// ЖТФ.- 1988. Т.68.- Вып. 10, С.55-57.

74. Экспериментальное исследование полупроводниковых структур с целью изучения их физических свойств: Отчет о НИР; Руководитель работы

75. К.П. Корнев.- № ГР 01910023477. Калининград, 1995. - 27 с. Исполн. И.П. Аржанухина.

76. Сарсембинов Ш.Ш., Приходько О.Ю., Мальтекбасов М.Ж., Максимова С.Я., Аверьянова В.Л. Биполярная фотопроводимость в аморфных пленках Аэ^ез// ФТП. 1991.- Т. 25. - Вып.З. - С.564-566.

77. Зорин К.А. Фотоэлектрические свойства гетеропереходов и их использование в преобразователях изображения. М.: Электроника, 1976. - 41 с.

78. Lopez A., Anderson R.L. Photocurrent spectra of Ge-GaAs heterojunctions// Solid State Electron. 1964. - 7. - № 9.- P. 695.

79. Aven M., Cook D.M. Some electrical properties of ZnSe-CdS heterojunctions// J.Appl.Phys. 1961. - 32. - № 5. - P.960-962.

80. Алферов Ж.И. Полупроводниковые гетероструктуры (обзор)// ФТП. 1977. -Т.П.-Вып. 11.- С.2072-2083.

81. Дзюркевич И.Ю., Корнев К.П. Контроль параметров прозрачных проводящих пленок двуокиси олова электромагнитными методами// Методы и устройства магнитных измерений и контроля. Омский политех, инст-т .Омск. - 1987.-С. 48-52.

82. Худсон Д. Статистика для физиков: Пер. с англ./ Под ред. Е.М. Лейкина. -М.: Мир, 1970.-296 с.

83. Статистические методы в экспериментальной физике: Пер. с англ./ Под ред. A.A. Тяпкина. М.: Атомиздат, 1976. - 334 с.

84. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Атомиздат, 1977. - 528 с.

85. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1969.-511с.- 155

86. Браунли К.А. Статистические исследования в производстве. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1949.- 227 с.

87. Мартынов Г.В. Критерии омега-квадрат. -М.: Наука, 1978. 79 с.

88. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов измерений; Введ. с 01.01.77 до 01.01.80.10 с. Группа Т80.