DE2540161A1 - Vorrichtung zum aufspueren von wasserstoff - Google Patents
Vorrichtung zum aufspueren von wasserstoffInfo
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Description
Dipl-lng. K-J. liPP#rt
Patentanwälte 506 Refrath bei Köln
Frankenfonter Straß· 137 8· Sept. 1975
Da./Lin.
Semiconductor Sensors, Inc., Atherton, California (V.St.A.)
Vorrichtung zum Aufspüren von Wasserstoff
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufspüren von Was-,
serstoff in Form von gasförmigem molekularem Wasserstoff,
ι atomarem Wasserstoff oder in gasförmigen Wasserstoff verbindungen,
ι
beispielsweise Ammoniak.
beispielsweise Ammoniak.
Ein Nachteil der bekannten Gasspürvorrichtungen relativ einfacher Bauart ist ihre begrenzte Selektivität, d.h. ihr Ansprechen auf verschiedene Oase· So sind beispielsweise einige
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Gasspürgeräte empfindlich für alle verbrennbaren Gase (Kohlenwasserstoffe,
Alkohole usw.)· Wegen der großen Anzahl von Gasen, die von diesen Gasspürgeräten positiv angezeigt werden, sind
diese Geräte nur mit Schwierigkeiten zu verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasspürgerät zu schaffen, das trotz seiner einfachen Bauweise die Möglichkeit ;
bietet, schnell und zuverlässig Wasserstoff in Gestalt des gasförmigen
molekularen Wasserstoffs, des atomaren Wasserstoffs ! oder von Wasserstoffverbindungen aufzuspüren. Die Erfindung be- ,
ruht auf der Erkenntnis, daß Metalle aus der Platin-Gruppe, insbesondere Palladium, aber auch Platin und Nickel, in der Lage
sind, Wasserstoffgas zu dissoziieren, den Wasserstoff zu lösen, ,
ι .
j ihn hindurchtreten zu lassen und ihn in Oberflächenschichten zu ι adsorbieren. Diese spezielle Eigenschaft der erwähnten Metalle :
wird bei Halbleitern verwendet, die eine Feldeffekt-Struktur auf-t
! I
weisen, beispielsweise bei Feldeffekt-Transistoren, deren ,
Schleusenspannung von der Emissionsfähigkeit der Torelektrode
! abhängt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt demnach einen Halbleiter, eine Metallelektrode und einen zwischen dem Halbleiter und der
Elektrode angeordneten Isolator. Die Metallelektrode besteht aus Palladium, Nickel, Platin oder einer Legierung, die mindestens
20 % Palladium enthält. ,
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Vorzugaeise wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Vorrichtung
ein Feldeffekt-Transistor ist, dessen Torelektrode aus Palladium, Nickel, Platin oder einer Legierung mit mindestens 20 % Palladium
besteht. i
Wenn eine Vorrichtung, wie vorerwähnt, mit Wasserstoff in Ver- j
bindung gebracht wird, wird dieser teilweise an der Oberfläche
der Metallelektrode bzw. Torelektrode adsorbiert, diffundiert durch die Elektrode und wird auf der den Isolator berührenden
Elektrodenoberfläche adsorbiert. Dieser Vorgang beeinflußt die Emissionsstärke dieser Oberfläche; als Folge davon ändert.sich
der elektrische Zustand des Halbleiters oder Transistors. Dieser Effekt wird zum Nachweis von Wasserstoff ausgenutzt.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen in AusfUhrungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Halbleiter mit' Feldeffekt-Struktur;
| 2 | einen Feldeffekt-Transistor; | erfindungsgemäßen | |
| 3 | und 4 elektrische Kennlinien; | ||
| 5 | •ine praktische Ausbildung der | - 4 - | |
| Vorrichtung; | |||
| Fig. | |||
| Fig. | |||
| Fig. | |||
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Fig. 6 eine andere Ausbildung der erfindungsgemäßen Vori richtung;
Fig. 7 eine weitere Ausbildungsform und
Fig. 8 ein weiteres Kennliniendiagramm.
Die einfachste Verwirklichung einer Vorrichtung nach der Erfindung
besteht in einem Halbleiter 1 mit einer Metallelektrode 2 und einem zwischen diesen angeordneten Isolator 3. Die Metallelektrode
besteht aus Palladium (in einem anderen Ausführungs- ;beispiel aus einer Legierung mit über 20 % Palladiumgehalt). Man
i kann die Metallelektrode 2 auch aus Nickel oder Platin herstel- ! len; dann ist die Empfindlichkeit der Vorrichtung allerdings weiniger
gut.
In Fig. 3 ist die Halbleiterkapazität C als Funktion der angelegten
Schleusenspannung V_ aufgetragen. Wenn die Vorrichtung mit j Wasserstoff in Kontakt gebracht wird, ändern sich die elektrische^
Eigenschaften, d.h. die sogenannte Flachband-Spannung V- ändert
! sich und infolgedessen verschiebt sich auch die Kapazitätskurve I in Fig. 3. Der Punkt C^ verschiebt sich also und diese Ver-I
Schiebung kann zum Aufspüren von Wasserstoff ausgenutzt werden.
: Fig. 2 zeigt einen Feldeffekt-Transistor, der aus einem Silizium-
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Halbleiter der p-Type besteht und in den zwei Siliziumschichten j
5 der η-Type eingebraht sind. Außerdem besitzt der Transistor
eine Isolierschicht 6, die die Halbleiterschichten 4 und5 überdeckt, eine Torelektrode 7 aus Palladium (gegebenenfalls auch
Nickel, Platin oder eine Palladiumlegierung), eine Emitter- j
! Venn dieser Feldeffekt-Transistor mit Wasserstoff in Verbindung
' gebracht wird, ändert sich die Emissionsfähigkeit der Torelektro-
! de 7 und damit die Schwellenspannung des Transistors. Fig. 4
zeigt den Verlauf des Kollektorstroms I«- als Funktion der j
' Schleusenspannung V_. Unter dem Einfluß von Wasserstoff ver- i
! 8 j
schiebt sich die Schwellenspannung V4., was zum Aufspüren von !
I !
: Wasserstoff verwendet wird. Man kann beispielsweise den Strom
! i
j IK messen; dann wird die Anwesenheit von Wasserstoff aufeinem
Die Figuren 5 bis 7 zeigen verschiedene praktische Ausführungen
von Feldeffekttransistoren als Wasserstoffdetektoren. Der Transistor 10 ruht auf einer Basis 11 aus Glas oder Kunststoff
und wird in üblicher Weise mit den Anschlußdrähten 12 verbunden und in ein Gehäuse 13 eingebracht. Wie man aus Fig. 5 und 6 erkennt, muß dieses Gehäuse eine öffnung 14 haben, um den Zutritt
von Wasserstoff zum Tor des Transistors zu gestatten.
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Bei der Ausführung nach Fig. 6 umgibt außerdem außerdem eine
I Heizvorrichtung 15 das Gehäuse, so daß die Vorrichtung im Be-
! trieb auf einer Temperatur zwischen 50° C und 290° C erwärmt
I Heizvorrichtung 15 das Gehäuse, so daß die Vorrichtung im Be-
! trieb auf einer Temperatur zwischen 50° C und 290° C erwärmt
ι werden kann. Die Wirkung einer solchen Temperaturerhöhung ist
j in Fig. 8 dargestellt. In diesem Diagramm ist der zeitliche
' Verlauf der Schwellenspannung V^ bei einem n-Kanal-Feldeffekt-
Transistor aus Silicon mit einer Isolierschicht von etwa
! 20.10 ' cm Siliciumdioxid und einer Torelektrode aus Palladium
j gleicher Stärke dargestellt. Die Vorrichtung wird dann einem Ge- ! ' misch von Luft mit 5 % Wasserstoff ausgesetzt und das Wasser- j stoffgas wird nach einigen Minuten wieder aus dem Gemisch ent- ;
! 20.10 ' cm Siliciumdioxid und einer Torelektrode aus Palladium
j gleicher Stärke dargestellt. Die Vorrichtung wird dann einem Ge- ! ' misch von Luft mit 5 % Wasserstoff ausgesetzt und das Wasser- j stoffgas wird nach einigen Minuten wieder aus dem Gemisch ent- ;
I fernt. Wenn sich der Transistor auf einer Temperatur von 25° C
j j
j j
J befindet, nimmt die Schwellenspannung gemäß der oberen Kurve j j zunächst ab und bleibt auf diesem niedrigeren Niveau.für ein '
! I
' Zeitintervall A, in dem der Transistor mit wasserstoff haltiger :
ί Atmosphäre in Berührung steht. Sobald das Wasserstoffgas aus der:
Luft entfernt wird, steigt die Schwellenspannung während einer : nicht genau definierten Periode B wieder an und erreicht schließr
lich seinen Ausgangswert.
Wenn dagegen der Transistor auf 140° C erwärmt wird, erfolgt
der Abfall der Schwellenspannung beim Vorhandensein von Wasserstoff steiler und tiefer als im ersten Fall und nach Entfernung des Wasserstoffs steigt die Schwellenspannung ebenfalls wesent-
der Abfall der Schwellenspannung beim Vorhandensein von Wasserstoff steiler und tiefer als im ersten Fall und nach Entfernung des Wasserstoffs steigt die Schwellenspannung ebenfalls wesent-
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I "7"
j lieh schneller auf den Ausgangswert zurück. Die Erwärmung der
Vorrichtung verbessert also die Ansprechgeschwindigkeit und die !
Ansprechempfindlichkeit der Anordnung und macht sie damit noch ;
geeigneter zum Aufspüren von Wasserstoff. -
In Fig. 7 ist in größerem Maßstab eine andere Ausbildung der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung gezeigt. Hier ist der Halblei-
, ter 16 eine Siliciumplatte des p-Typs. Außer den Silicium-Schichten
17 befindet sich dann auf der Grundplatte noch eine Heizvorrichtung 18 in Form eines integrierten Schaltkreises.
Vorzugsweise ist der Werkstoff dieser Heizvorrichtung 18 ebenfalls
Silicium, und zwar vom n-Typ.
' Bei dieser besonderen Bauweise wird eine wesentlich geringere
Energie für die Aufheizung benötigt.
lie Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auf verschiedenen Gebieten
der Technik Verwendung finden. Die Vorrichtung kann beispielsweise als Leckspürgerät in irgendwelchen Anlagen, die
mit Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltigen Gasen arbeiten
(z.B. Stadtgas, Spaltgas o. dgl.) verwendet werden oder als Leckspürgerät in anderen Anlagen, wobei dem Gas nur eine gewisse Menge Wasserstoffgas als Indikator beigegeben wird. Man
kann dieVorrichtung auch in Warmanlagen verwenden, die die Anwesenheit
von Wasserstoff anzeigen sollen, beispielsweise in
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der petrochemischen Industrie, der elektrochemischen Industrie,
! in Gasanstalten o. dgl. sowie auch als Warnanlage zur Verhin- * derung von Gasexplosionen. Schließlich kann die Vorrichtung auch
. dazu verwendet werden, den Partialdruck des Wasserstoffs in
1 einem Gasgemisch zu messen.
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Claims (4)
1.ΊVorrichtung zum Aufspüren von Wasserstoff in Form molekularen
gasförmigen Wasserstoffs, atomaren Wasserstoffs oder
in gasförmigen Wasserstoff verbindungen, gekennzeichnet durch einen Halbleiter-Grundkörper
(1, 4, 11, 12, 16), eine Metallelektrode (2, 7) und eine j Isolierschicht (3, 6) zwischen dem Halbleiter und der Me- ί
tallelektrode, wobei die Metallelektrode (2, 7) aus Palladium Nickel, Platin oder einer Legierung mit mindestens 20 %
Palladium besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Feldeffekt-Transistor aufgebaut
ist, dessen Torelektrode (7) aus Palladium, Nickel, Platin oder einer Legirung mit mindestens 20 % Palladium besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Heizvorrichtung (15, 18)
vorgesehen 1st, um die gesamte Vorrichtung auf eine Temperatur zwischen wahlweise 50 und 250*3 C aufzuheizen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet
, daß die Heizvorrichtung (18) als integrier-
- 10 -
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ter Schaltkreis mit dem Halbleiter-Grundkörper (16) verbunden
ist.
ι I
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