Устройство для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов

 

Использование: при измерении удельного сопротивления высокоомных (до 10¹³ Ом·см) полупроводниковых материалов. Сущность изобретения: повышение точности измерений и расширение верхней границы диапазона величины удельного сопротивления достигаются путем использования RC-генератора с мостом Вина в цепи положительной обратной связи и частотомера, подключенного к выходу RC-генератора. Последовательная RC-цепь моста Вина представляет собой конденсатор, между обкладками которого размещен измеряемый образец. 1 ил.

Изобретение относится к технике измерения электрофизических параметров полупроводниковых материалов, а точнее к технике измерения их удельного сопротивления.

Известно устройство для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов, содержащее зондовую головку, источник тока и милливольтметр [1] . Недостатком этого устройства является наличие механического контакта между зондовой головкой и полупроводниковым материалом. Это приводит к повреждению поверхности полупроводникового материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения удельного сопротивления, включающее в себя LC-контур, конденсатор, подключенный параллельно LC-контуру, и измеритель добротности, причем измеряемый образец помещается между обкладками конденсатора [2] .

Недостатками этого устройства являются недостаточная точность измерений удельного сопротивления, связанная с невысокой точностью измерений величины добротности LC-контура, а также невозможность измерений больших значений величин удельного сопротивления (>10⁹ Ом˙см). Это связано с тем, что для таких измерений необходим LC-контур с очень низкой резонансной частотой, порядка нескольких герц, для получения большого волнового сопротивления LC-контура (10⁹-10¹⁰ Ом). Емкость конденсатора обычно не превышает 10 пФ. Отсюда следует, что индуктивность LC-контура должна иметь величину 10⁵ Гн. Это очень большая величина индуктивности. Изготовление катушки с такой величиной индуктивности, обладающей малой собственной емкостью (<< 10 пФ), - непростая техническая задача.

Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение границы измерения величины удельного сопротивления полупроводниковых материалов в сторону ее большего значения.

Цель достигается тем, что устройство, содержащее конденсатор, снабжено RC-генератором с мостом Вина в цепи положительной обратной связи, частотометром, который соединен с выходом RC-генератора, причем конденсатор представляет собой последовательную RC-цепь моста Вина.

Введение в устройство RC-генератора с мостом Вина в цепи положительной обратной связи, причем конденсатор является последовательной RC-цепью моста Вина, и частотометра, соединенного с выходом RC-генератора, позволило заменить измерение добротности LC-контура измерением частоты RC-генератора, что повышает точность измерений удельного сопротивления, так как частота измеряется точнее, чем добротность, а также проводить измерения величины удельного сопротивления на низких частотах и тем самым расширить границу измерений удельного сопротивления в сторону ее больших величин.

Известно устройство, предназначенное для измерения удельного сопротивления высокоомного полупроводника на основе GaAs (Аненко М. М. и др. Малогабаритная установка для измерения электрофизических параметров полуизолирующего GaAs -ИНХ-1. Электронная техника, сер. Материалы, 1990, N 3, с. 54). Однако верхняя граница диапазона измерений удельного сопротивления этого устройства в отличие от заявляемого устройства ограничена величиной 10⁹ Ом˙см. Это связано с тем, что с повышением удельного сопротивления полупроводникового материала возрастают трудности в подведении к нему омических контактов, что существенно снижает точность измерений удельного сопротивления.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит RC-генератор с мостом Вина в цепи положительной обратной связи, выполненный на усилителе 1, резисторы 2 и 3, включенные в цепь отрицательной обратной связи усилителя 1 и служащие для изменения величины коэффициента усиления усилителя 1, резистор 4 и конденсатор 5, образующие параллельную RC-цепь моста Вина, конденсатор 6, в который помещен измеряемый образец и представляющий собой последовательную RC-цепь моста Вина, причем мост Вина включен в цепь положительной обратной связи усилителя 1, конденсатор 6 изображен в виде эквивалентной схемы, где 7 - сопротивление участка измеряемого образца, заключенного между пластинами конденсатора 6, 8 - емкость участка измеряемого образца, заключенного между пластинами конденсатора 6 без диэлектрической пленки, изолирующей образец от металлических обкладок конденсатора 6, 9 - емкость, образованная диэлектрической пленкой и металлическими обкладками конденсатора 6, частотометр 10, подключенный к выходу RC-генератора.

Работу устройства рассмотрим на конкретном примере.

Измеряемый образец, выполненный из полуизолирующего GaAs в виде пластины толщиной 1 мм с величиной удельного сопротивления, равной 10¹¹Ом ˙ см, помещается между обкладками конденсатора 6. Конденсатор 6 подключается к RC-генератору, как это показано на чертеже 1. Резистором 3 устанавливают величину коэффициента усилителя 1, при которой возникает генерация RC-генератора. Частота генерации измеряется частотометром 10. Величину удельного сопротивления измеряемого образца определяют из известной зависимости ρ = ϕ (f), где ρ - величина удельного сопротивления как функция f - частоты генерации RC-генератора. Зависимость ρ = ϕ (f) может быть получена аналитически или экспериментально. Экспериментальное определение зависимости ρ = ϕ (f) заключается в измерении частоты генерации RC-генератора с образцами, у которых величина удельного сопротивления известна.

Повышение точности измерений удельного сопротивления устройством связано с тем, что измерение удельного сопротивления в данном случае связано с измерением частоты. В устройстве, принятом за прототип, измерение удельного сопротивления связано с измерением добротности LC-контура. Но измерение частоты всегда точнее, чем измерение добротности. Это связано с тем, что измерение добротности есть сложное измерение, включающее в себя измерение двух частот и двух напряжений (Яворский Б. М. , Детлаф А. А. Справочник по физике. М. : Наука, 1977, с. 484).

Пусть площадь пластины конденсатора 6 равна 1 см². Тогда параметры элементов эквивалентной электрической схемы конденсатора 6 следующие: R₇ = 10¹⁰ Ом, С₈ = = 10 пФ. Величина С₉ зависит от толщины диэлектрической пленки, изолирующей полупроводниковый материал от металлических пластин конденсатора 6. Поскольку толщина диэлектрической пленки много меньше толщины пластины, то С₉ >> С₈. Пусть С₉ = 100 пФ. Частота генерации RC-генератора, представленного на чертеже, как показывает расчет, проведенный согласно методике, изложенной в книге Герасимов В. Г. и др. Основы промышленной электроники. Ч. II. М. : Высшая школа, 1971, с. 252-274, дается выражением f= 2 .

Пусть R₄ = 5˙10⁷ Ом и С₅ = 3˙10³ пФ. Вычислив частоту генерации по вышеприведенной формуле, получают f = 0,8 Гц. Коэффициент усиления по напряжению (К) усилителя 1 имеет величину, равную 360. Изготовление усилителя с таким коэффициентом усиления по напряжению не представляет технических трудностей.

Промышленность выпускает интегральные операционные усилители с высоким входным сопротивлением и коэффициентом усиления по напряжению до 10⁵ на низких частотах (Якубовский С. В. и др. Справочник. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. М. : Радио и связь. 1989, с. 335-356). Можно показать, что на базе усилителя с К = 10⁵ реализуется устройство, измеряющее удельное сопротивление до 10¹³ Ом˙см в рассмотренном выше примере.

Преимуществом заявляемого устройства является повышение точности измерений величины удельного сопротивления и расширение диапазона измерений удельного сопротивления в сторону его больших значений. Предлагаемое устройство может быть использовано для измерения удельного сопротивления высокоомных полупроводниковых материалов, например полупроводникового полуизолирующего материала на основе GaА. Возможно использование предлагаемого устройства в исследовательских лабораториях, например, для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов при низких температурах, когда величина удельного сопротивления существенно возрастает по сравнению с ее величиной при комнатной температуре. (56) 1. Фистуло В. И. Введение в физику полупроводников. М. : Высшая школа, 1984, с. 274-280.

2. Там же, с. 279-280.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ , содеpжащее измеpительный конденсатоp, включенный в измеpительную схему, и индикатоp, отличающееся тем, что индикатоp выполнен в виде частотомеpа, измеpительная схема выполнена в виде RC-генеpатоpа с мостом Вина в цепи положительной обpатной связи, пpичем измеpительный конденсатоp включен последовательно с pезистоpом последовательной RC-цепи моста Вина, а выход RC-генеpатоpа подключен к входу частотомеpа.

РИСУНКИ

Рисунок 1