Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

Напряжение UC подается на один из входов сравнивающего устройства СУ, a ко второму входу устройства подводится напряжение UR , снимаемое с резистора R2 делителя, который состоит из резисторов R1 и R2. Если подобрать резисторы R1 и R2 так, чтобы напряжение UR было равно 0.37 U, то в момент t2 равенства напряжений UС и UR на входе сравнивающего устройства возникает второй импульс, который закрывает электронный ключ и счетчик прекращает подсчет импульсов (рис.

1.13, в).

Если за время t2 – t1 = на счетчик поступило N импульсов, то можно записать N = f0. Так как = RобрСХ , то при

т.е. измеряемая емкость прямо пропорциональна показанию счетчика, и счетчик может быть отградуирован в единицах емкости.

При наличии образцового конденсатора Собр можно аналогичным образом измерить сопротивление резистора

Приборы для измерения параметров электрических цепей, использующие метод дискретного счета, обеспечивают сравнительно малую погрешность измерения (0,1 - 0.2 %). К недостаткам таких приборов можно отнести невозможность измерения параметров на рабочей частоте.

31

1.3. Измерение электрической проводимости в полупроводниках и диэлектриках

1.3.1. Подготовка образцов к измерениям

Для того чтобы подготовить образец к измерениям, необходимо вырезать его из слитка, обработать поверхность и изготовить омические контакты. Так как полупроводниковые материалы обладают обычно высокой твердостью и хрупкостью, то для их обработки применяются специфические методы резки, шлифовки, полировки.

Резку производят несколькими способами. Наиболее проста и производительна резка алмазными дисками. Слиток наклеивают на слиткодержатель и режут на пластины вращающимся диском, армированным алмазным порошком. Получаемые образцы могут иметь линейные размеры от 1 до 60100 мм при минимальной толщине пластины в несколько сотен микрометров. В последнее время широко применяется резка внутренней кромкой алмазных дисков.

В технике измерений для изготовления образцов сложной формы широко применяют резку ультразвуком. Шаблон специальной формы, изготовленный из стали или латуни, прикрепляют к магнитострикционному стержню, вибрирующему с частотой несколько десятков мегагерц. Пластину полупроводника покрывают суспензией шлифпорошка, который под действием ультразвука разрушает полупроводник в точке соприкосновения с шаблоном. Таким образом, в пластине прорезается необходимое отверстие по заданной форме.

Ультразвуковая резка в последнее время заменила пескоструйную, применявшуюся ранее для изготовления образцов сложного профиля. При пескоструйной обработке необходимую часть образца защищали шаблоном, а остальные части пластины удаляли абразивом, который подавался под давлением вместе со струей воздуха.

Для изготовления образцов специальной формы используют также электроэрозионную резку. При этом между полу-

32

проводником и металлическим шаблоном (диском, проволокой, стержнем) подают напряжение, причем всю систему помещают в жидкий диэлектрик (деионизованную воду, керасин). Резка полупроводника происходит под действием искрового пробоя. К достоинству метода можно отнести то, что при эрозионной резке не загрязняется поверхность полупроводника. Кроме того, метод позволяет изготавливать образцы микроскопических размеров, порядка десятков микрометров.

Для устранения нарушенного слоя, возникающего в процессе резки, а также для того, чтобы придать образцу необходимую форму и параллельность плоскостей, прибегают к шлифовке и полировке. Шлифовку производят на стеклянных дисках вручную или на специальных станках с применением шлифпорошков (М28, М14, М10, М5), размер зерен которых в микрометрах указан цифрой. При полировке применяют мелкие шлифпорошки и алмазную пудру АСМ-3, АСМ-1 (размер зерен которой около одного или нескольких микрон), окись хрома.

Обычно образцы приклеивают пицеином или воском на специальный держатель. После шлифовки или полировки одной стороны образец переворачивают и шлифуют другую сторону.

Для удаления слоя, нарушенного в результате резки и шлифовки, и для очистки поверхности служит травление. Образцы травят в смеси кислот (плавиковой и азотной), в 30 %- ном растворе Н2О2, растворах щелочей. Перед травлением образец обезжиривают в ацетоне, четыреххлористом углероде, бензоле или спирте. Травление производят в специальной посуде из фторопласта, кварца или полиэтилена при различных температурах. Обычно с повышением температуры скорость травления увеличивается. Для замедления травления часто используют охлаждение травителя.

Существуют различные травители для гладкого или селективного травления. В первом случае поверхность приближается к оптической, и все дефекты сглаживаются. Во втором

33

случае дефекты поверхности, кристаллические блоки, следы определенных кристаллографических плоскостей выделяются.

1.3.2. Методы получения омических контактов

Контакты металла с полупроводником можно было бы считать идеальными, если бы они не создавали никакого дополнительного сопротивления для тока, не реагировали химически с исследуемым веществом, не меняли своих свойств при изменении условий освещения, температуры или величины приложенного электрического поля и не создавали эффектов выпрямления. Такие контакты обычно называют омическими.

Основным источником ошибок при измерении электропроводности полупроводников служат переходные сопротивления на контактах. В образцах с малым удельным электрическим сопротивлением главную роль играют несовершенства механического контакта, в образцах большего удельного электрического сопротивления – запорные слои, возникающие на контактах благодаря разности контактных потенциалов. Необходимым условием большинства измерений считается устранение влияния переходных сопротивлений на контактах. В первую очередь это достигается изготовлением омических контактов или выбором существующего метода измерений (применением бесконтактных электромагнитных методов или зондовых компенсационных методов измерений). В последние годы, используя определенные материалы для электродов, удалось достичь того, что электрические контакты с некоторыми веществами оказались близкими по своим свойствам к идеальным. Тем не менее, выбор материала электродов, обеспечивающих с полупроводниковым веществом идеальный контакт, до настоящего времени остается неопределенным и требует большого искусства.

Реальные омические контакты представляют собой большее или меньшее приближение к идеальному омическому

34

контакту. Причина повышенного сопротивления в омическом контакте – существование потенциального барьера и запорного слоя, связанного с ним. Один из наиболее эффективных и часто употребляемых методов уменьшения последовательного сопротивления контакта и инжекции – это создание непосредственно у контакта области полупроводника с удельным электрическим сопротивлением, во много раз меньшим удельного сопротивления основного объема полупроводника (так называемые n+ и р+ - области). Поскольку приконтактная область будет характеризоваться высокой концентрацией примесей, то инжекция неосновных носителей в неё будет ослаблена. Кроме того, увеличение концентрации примесей связано, как правило, со снижением времени жизни в приконтактной области. Если эти примеси будут иметь к тому же достаточно большое эффективное сечение захвата, то влияние инжекции неосновных носителей заряда из контакта будет в значительной степени ослаблено.

Таким образом, к омическим контактам предъявляются следующие требования:

-контакт не должен выпрямлять, т.е. его электрическое сопротивление не должно зависеть от направления протекающего тока;

-должны отсутствовать нелинейные эффекты, т.е. электрическое сопротивление контакта не должно зависеть от величины протекающего тока;

-электрическое сопротивление контакта должно быть малым по сравнению с сопротивлением измеряемого полупроводника;

-контакт должен быть механически прочным, надежным и стабильным во времени;

-шумы контакта даже при больших токах, протекающих через контакт, должны быть малыми.

При измерениях многих параметров полупроводников применяют следующие типы контактов: прижимные, припаянные, сплавные, электролитические, напыленные, сварные, тер-

35