Skip to main content
SUPERVISOR
Alireza Alafchian,Mahmoud Tabrizchi,Vahid Ghafarinia
علیرضا علافچیان (استاد مشاور) محمود تبریزچی (استاد مشاور) وحید غفاری نیا (استاد راهنما)
 
STUDENT
Soode Barami
سوده برامی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393

TITLE

Modeling of the effect of reducing gases on the electrical conductivity of semiconducting metal oxides
Chemiresistive metal oxides are widely used in the fabrication of gas sensors. The theory of gas sensitivity of metal oxide sensors has been developed based on the gas-solid interactions on the metal oxide surface. These interactions led to a charge transfer that is well described by the Poisson-Boltzmann equation. The receptor function of metal oxides can be modelled based on this differential equation. Here, precise results of numerical solution of Poisson-Boltzmann equation and the more general Poisson-Fermi-Driac equation show the limitations of approximated solutions and found even where the accumulation layer created near the surface of metal oxide grains, the Poisson-Boltzmann approximation is not valid anymore and the Poisson-Fermi-Dirac equation must be used. Here, the combination of Poisson-Boltzmann relation, surface reactions and gas diffusion has been solved numerically to derive an exact solution for temporal variation of the sensor conductivity. The established model can be used for both thin and thick oxide layers. The model has been simulated with different combinations of effective parameters. Among the results, the significant effect of decreasing the grain size and the thickness of the sensitive layer on increasing the sensitivity of the sensor can be noted. Also, using the presented equations, the ultimate electrical potential limit for each grain was estimated. For example, for spherical grains with a diameter of 50 nm the surface potential will not exceed 0.3 volts when the doping level is 2.5 × 10 17 cm -3 . To experimentally investigate the model, a thin film sensor was fabricated by RF sputtering of ZnO on quartz substrate. The transient response of the sensor to an oxygen pulse was recorded. The results showed that the proposed model for the transient response of the metal oxide gas sensor is in good agreement with the experimental response Key Words : Gas sensor, metal oxide, transient response, electrical potential, Poisson-Fermi-Dirac, sensor modeling.
نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی مانند اکسید قلع و اکسید روی کاربردهای متنوعی در الکترونیک دارند. ازجمله ویژگی‌های قابل‌توجه این مواد، تاثیرپذیری رسانایی الکتریکی آن‌ها از گازهای موجود در محیط است. این تاثیرپذیری تا حدی بالاست که نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی به یکی از بهترین گزینه‌ها برای ساخت حسگرهای گاز تبدیل شده‌اند. در حسگرهای گاز اکسید فلزی، یک بدنه متخلخل از دانه‌های اکسید فلزی نقش لایه حساس را ایفا می‌کند. مقاومت الکتریکی این لایه در اثر واکنش با مولکول‌های گاز تغییر می‌کند. بنابراین اندازه‌گیری مقاومت لایه حساس، به‌عنوان پاسخ حسگر، می‌تواند مبنای آشکارسازی گازها قرار گیرد. فرآیندهای مختلفی مثل نفوذ، واکنش، جذب، واجذب و خمش پهنه‌های انرژی در سازوکار حسگری این افزاره‌ها نقش دارند. همچنین پارامترهای مختلفی مثل جنس و ضخامت لایه حساس، تخلخل لایه حساس، اندازه دانه‌ها، نوع اتصال دانه‌ها، جنس و هندسه الکترودها، ناخالصی‌ها، دما و فشار اکسیژن محیط در پاسخ حسگر تاثیرگذار هستند. تاکنون تاثیر این فرآیندها و پارامترها به‌صورت تئوری و عملی در پژوهش‌های متعددی بررسی شده است. در برخی از این پژوهش‌ها با ترکیب روابط ریاضی حاکم بر فرآیندها مدل‌های ساده‌ای برای توجیه رفتار حسگرهای اکسید فلزی ارائه شده است. البته این مدل‌ها برمبنای تقریب‌های متعدد بنا شده‌اند و بنابراین کاربرد محدودی دارند. در این پژوهش با حل عددی دقیق معادله پوآسون-بولتزمن و معادله کلی‌تر پوآسون-فرمی-دیراک، محدودیت این تقریب‌ها شرح داده شده است و نشان داده شده است در مواردی که ناحیه تجمعی به‌جای تخلیه در نزدیک سطح دانه‌های اکسید فلزی ایجاد می‌شود حتی تقریب پوآسون-بولتزمن نیز کاربردی نیست و نیاز به حل دقیق رابطه پوآسون-فرمی-دیراک است. در این پژوهش از ادغام روابط پوآسون-بولتزمن، واکنش‌های سطح و اثر نفوذ مولکول‌های گاز هدف به درون لایه حساس و حل همزمان عددی و دقیق دستگاه معادلات حاکم بر آن‌ها مدلی برای بدست‌آوردن مقاومت حسگر گاز اکسید فلزی برای هر دو حالت لایه‌نازک و لایه ضخیم ارائه شده است. مدل‌ها با ترکیب مختلفی از پارامترهای تاثیر گذار شبیه‌سازی شده‌اند. ازجمله نتایج حاصل می‌توان به تاثیر قابل توجه کاهش اندازه‌ دانه‌ها و ضخامت لایه حساس در افزایش حساسیت حسگر اشاره کرد. همچنین با استفاده از روابط ارائه شده، برای هر دانه حد نهایی پتانسیل سطحی قابل تخمین است. برای مثال برای دانه‌های کروی با قطر 50 نانومتر پتانسیل سطح از مقدار 3/0 ولت بیشتر نخواهد شد. در ادامه با ساخت حسگر گاز با لایه حساس از جنس اکسید روی با استفاده از روش لایه‌نشانی کند و پاش RF و ثبت پاسخ آن به پالس گازی اکسیژن صحت مدل مورد بررسی قرار گرفت. بار دیگر حسگر تجاری لایه ضخیم در معرض گاز هیدروژن قرار گرفت و با مدل حسگر لایه ضخیم انطباق داده شد. نتایج نشان داد که مدل مطرح شده برای پاسخ گذرای حسگر گاز اکسید فلزی انطباق بسیار خوبی با پاسخ نمونه آزمایشگاهی و تجاری دارد و با آزمایش‌های بیشتر در این زمینه می‌توان صحت مدل را مورد بررسی دقیق قرار داد. کلمات کلیدی: حسگر گاز، اکسید فلزی، پاسخ گذرا، پتانسیل الکتریکی، پوآسون-فرمی-دیراک، مدل نفوذ- واکنش، مدل‌سازی حسگر.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی