Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) device for gas electroadsorption

Abstract

Electroadsorption, or the electroadsorptive effect (EAE), refers to the adsorption of gases on a surface, either enhanced or inhibited by an excess or deficiency of surface electrons, which is induced by an external electric field. The EAE arises when a MOS (metal-oxide-semiconductor) device, used as a sample, has a semiconductor layer with a thickness of the order of twice the Debye screening length. This work extends the study of the electrostatics of the MOS capacitor in order to understand the behavior of MOS devices used in the experimental investigation of the electroadsorptive effect. Numerical results obtained from the analysis of MOS capacitors in which the semi conductor thickness is either equal to or twice the Debye screening length—conditions necessary for the occurrence of the EAE are presented. The calculations confirm the presence of an electric field of approximately 106 V/m at the free surface of the semiconductor when its thickness is twice the Debye length and a negative potential is applied to the gate terminal. This field decreases as the semiconductor thickness increases. The results of electrical tests, including current-voltage (I-V) characterization and surface potential measurements, performed on SnO2 and CeO2 samples—MOS devices intended for EAE-related experimentation, are also reported. The samples featured three metallic contacts: one on the back side, one in the form of a ring on the semiconductor surface, and another at the center of that surface. The tests revealed behavior resembling a metal–semiconductor junction when the metallization used was aluminum or titanium–chromium. Surface potential measurements using the central contact were far from 0 V, while applying voltage to the back terminal and grounding the ring contact, showed a voltage difference of 0.001 to 0.2 volts with respect to the back terminal.

La electroadsorción o efecto electroadsortivo (EAE) es la adsorción de gases sobre una superficie, estimulada o inhibida por el exceso o déficit de electrones en la superficie, lo cual es provocado por un campo eléctrico externo. El efecto EAE se manifiesta usando un dispositivo MOS (metal-óxido-semiconductor) como sustrato. El espesor del semiconductor es el doble de la longitud de apantallamiento de Debye. En este trabajo se extiende el estudio de la electrostática del condensador MOS a dispositivos delgados, de espesor comparable a la longitud de apantallamiento, para comprender el comportamiento de los dispositivos MOS usados en el estudio del efecto electroadsortivo a nivel experimental. Se presentan los resultados numéricos obtenidos del estudio del condensador MOS donde el semiconductor posee un espesor equivalente o el doble de la longitud de apantallamiento de Debye, necesario para que se produzca el efecto EAE. Los cálculos obtenidos confirman la existencia de un campo eléctrico de 106 V/m en la superficie libre del semiconductor cuando el grosor es dos veces la longitud de Debye y se aplica un potencial negativo al terminal de compuerta, y que el campo disminuye a medida que el espesor del semiconductor aumenta. También se muestran los resultados de pruebas experimentales eléctricas, como caracterización corriente-voltaje y medición de potencial superficial, efectuadas a muestras de SnO2 y CeO2, dispositivos MOS destinados a usarse para experimentación en EAE. Las muestras tenían tres contactos metálicos: uno en la parte trasera, uno con forma de anillo en la superficie del semiconductor y otro en el centro de la superficie del semiconductor. Las pruebas mostraron un comportamiento que se asemeja a una juntura metal-semiconductor cuando la metalización usada era de aluminio y titanio-cromo. Las mediciones de potencial en el contacto central arrojaron valores alejados de 0 V mientras se aplica un voltaje al terminal trasero y el contacto en forma de anillo está puesto a tierra, mostraron una diferencia de 0.001 a 0.2 V respecto del voltaje en terminal trasero.