![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Теория метода и описание установки для определения удельного электросопротивления (двухзондовый метод)
Для определения удельного сопротивления полупроводников наиболее распространенными являются 2 метода: двух- и четырехзондовый. Эти методы принципиального отличия друг от друга не имеют. Кроме этих контактных методов измерения удельного сопротивления применяют бесконтактные - емкостной и индуктивный. Емкостной метод применим для полупроводников с высоким удельным сопротивлением, а индуктивный - преимущественно с малым. Двухзондовый метод используется для измерения величины удельного сопротивления образцов правильной геометрической формы и однородных по значению удельного электросопротивления по поперечному сечению. Используемые образцы обычно бывают в виде пластин или имеют цилиндрическую форму. Hа торцевые части образца наносятся (см. (рис.1) токовые металлические электроды (1, 4) и образец зажимают между двумя токопроводящими электродами микроманипулятора (электроды 2, 3). Зонды, представляют собой металлические иглы из вольфрамовой проволоки, которые для особо низкоомных образцов должны быть позолочены или посеребрены. Эти зонды располагаются на боковой поверхности образца. После операций присоединения зондов, образец включается в электрическую схему, представленную на рис. 1. Рис. 1. Электрическая принципиальная схема для измерения удельного электросопротивления по методу двух зондов При этом необходимо проверять качество контактов («омичность» контактов), т.е. вольтамперная характеристика должна быть линейной при двух взаимно противоположных направлениях протекания тока через образец, с одним значением сопротивления для всех приложенных полярностей и значений напряжения. Кроме того, зондовые контакты должны обладать малым контактным сопротивлением, для снижения погрешности измерения. Ток через образец устанавливается с помощью реостата. При прохождении постоянного тока имеет место падение напряжения на образце (на интересном для нас участке 2-3) и последовательно включенном, с нашим образцом, эталонном сопротивлении. Соответствующие падения напряжения измеряют цифровым вольтметром с числом значащих цифр не менее четырех и входным сопротивлением не менее, чем на 3 порядка большем сопротивления образца. Если падение напряжения на сопротивлении образца или
Наиболее просто изготовить образец для измерений в виде прямоугольного параллелепипеда. В этом случае сопротивление однородного образца связано с его параметрами следующим соотношением:
где
Площадь поперечного сечения образца определяется путем измерения толщины и ширины его каким-либо мерительным инструментом с последующим перемножением этих двух величин, а расстояние между зондами измеряется с помощью отсчетного микроскопа (компаратора) или штангенциркулем. Эталонное сопротивление Rэт - (магазин сопротивлений) устанавливается в положение, примерно равное сопротивлению образца. Таким образом, исключается влияние переходных сопротивлений контактов на точность измерения удельного сопротивления. В особо точных случаях желательна проверка «омичности» контактов к образцу – определения линейности вольтамперной характеристики при двух полярностях питающего напряжения. Между образцом и зондами, вследствие наличия некоторого градиента температуры вдоль образца, может возникнуть термоэдс из-за разогрева контактов проходящим током (вследствие эффектов Пельтье или Томсона). Для исключения влияния термоэдс производят два измерения напряжения между измерительными зондами. При этом выполняют изменение полярности тока при соблюдении его постоянной величины. Если величина термоэдс по модулю меньше падения напряжения между зондами Влияние поверхностной проводимости. При измерении удельного сопротивления и других параметров тонких полупроводниковых слоев, толщина которых сравнима с «дебаевской» длиной (длиной экранирования), необходимо учитывать наличие на их поверхности обедненных или обогащенных слоев, удельная проводимость которых отличается от удельной проводимости объема полупроводника. Возникновение этих слоев обусловлено существованием вблизи поверхности полупроводника области пространственного заряда (ОПЗ), которая определяется поверхностным изгибом энергетических зон и характеризуется положением уровня Ферми на поверхности и в глубине полупроводника. Проводимость слоя объемного заряда вдоль поверхности полупроводника называют поверхностной проводимостью. Поверхностная проводимость обусловлена избыточной концентрацией электронов в приповерхностном слое (по сравнению с концентрацией объемной). Избыточные концентрации могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. Вблизи поверхности возможны и значительные изменения подвижности носителей заряда. Поверхностный потенциал, а, следовательно, и избыточная поверхностная проводимость изменяются в широких пределах в зависимости от характера обработки поверхности и состава окружающей среды. Это имеет место вследствие химического и физического взаимодействия поверхности слоя с окружающей атмосферой, а также процессов окисления поверхности. Изменение состава окружающей среды после извлечения эпитаксиальной структуры из реактора технологической установки, ведет к изменению поверхностного потенциала во времени и появлению двух составляющих погрешности – систематической, вызванной закономерным изменением поверхностного потенциала, и случайной, связанной с неконтролируемыми изменениями условий внешней среды. Поверхностный потенциал реальной поверхности полупроводников мало зависит от типа электропроводности и концентрации легирующей примеси и определяется химическим составом окружающей среды и характером обработки поверхности. Поэтому с течением времени поверхностный потенциал стабилизируется. Исследования показывают, что на воздухе в результате роста естественного слоя окисла на свежей поверхности эпитаксиального слоя кремния поверхностный потенциал стабилизируется. Для кремния n-типа первоначальный изгиб зон (сразу после изготовления скола в вакууме), не превышающий Часто при исследовании образцов полупроводников имеется возможность определить концентрацию носителей заряда по известному значению удельного сопротивления. В основе этого метода лежит эмпирическая зависимость удельного сопротивления кремния, германия, арсенида галлия от концентрации ионов примеси:
Эта зависимость построена с использованием огромного количества экспериментальных данных - измерениях концентрации и подвижности носителей заряда, в полупроводниках с примесными атомами, дающими «мелкие» примесные центры (донорного или акцепторного типа). Зависимость (2) для температуры образцов, равной Т=300К, в широком интервале концентраций примесей (1014-1020) см-3, имеет вид:
Показатель степени 3. Теория метода и описание установки для определения удельного электросопротивления (четырёхзондовый метод) Этот метод используется для измерения удельного сопротивления полупроводниковых образцов произвольной формы (слитков), а также тонких слоев на диэлектрических подложках. В схеме измерения этим методом (рис.2) применяют четырехзондовое контактное устройство (зондовую головку с четырьмя зондами), из которых 1 и 4 (наружные) являются токонесущими электродами (токовые вводы), а внутренние зонды 2 и 3 служат для измерения падения напряжения на участке образца (потенциальные электроды). Зонды устанавливают на одной прямой линии, на равном расстоянии друг от друга
где интегрирование идет по толщине всего слоя Случайная погрешность измерений составляет ±10% при доверительной вероятности 0.95 для слоев, у которых поверхностное сопротивление удовлетворяет соотношению:
и резко возрастает при увеличении поверхностного сопротивления. По четырехзондовой методике поверхностное сопротивление можно определить по формуле:
Если образец однороден, то при известной толщине и определенном значении поверхностного сопротивления можно определить удельное электросопротивление образца
где Таблица 2 Зависимость значения поправочной функции
Продолжение таблицы 2
В очень тонких пластинах вертикальная компонента тока (перпендикулярно плоскости пластины или слоя) невелика, поэтому в диапазоне отношений Рис. 2. Расположение зондов в зондовой головке, используемой в данной лабораторной работе С помощью четырехзондового метода определяют некоторое среднее значение удельного сопротивления по малому объему образца. Этот метод применим для полупроводников, у которых для ширины запрещенной зоны выполняется соотношение
Таблица 3 Рекомендуемые значения силы тока при измерении удельного сопротивления по методу четырех зондов (ГОСТе 19658-81)
|