Способ локального дистанционного измерения на высоких частотах концентрации носителей тока

 

Изобретение относится к области измерительной техники. Технический результат заключается в обеспечении локального дистанционного измерения на высоких частотах концентрации носителей тока. К линии с распределенными параметрами, длина которой равна нечетному числу четвертей длин волн высокочастотного сигнала, частоту которого устанавливают больше или меньше резонансной частоты, подключают полупроводниковый материал с известной концентрацией носителей тока. Определяют соответствующие емкости барьеров и получают калибровочную характеристику. Затем подключают полупроводниковый материал с неизвестной концентрацией носителей тока и определяют соответствующую барьерную емкость. По калибровочной характеристике определяют величину измеряемой концентрации носителей тока. 6 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способу измерения концентрации носителей тока на высоких частотах (ВЧ).

Задачей изобретения является обеспечение локального дистанционного измерения на ВЧ концентрации носителей тока.

Известен метод двух гармоник, позволяющий измерять профили концентрации носителей тока. На основе этого метода разработан прибор автоматического локального измерения профилей концентрации носителей тока в полупроводниковых структурах [1]. В этом методе измерения проводят на частотах f=5 МГц. При этом "падение напряжения содержит первую гармонику тестирующего сигнала с амплитудой U_1ω, пропорциональной глубине области обеднения х, и составляющую удвоенной частоты с амплитудой U_2ω, обратно пропорциональной n(х)" - распределению концентрации носителей тока по глубине [1], стр. 134.

Известен метод вольт-фарадных характеристик для контроля концентрации носителей тока [2]. Разработано устройство измерения концентрации носителей тока [2], стр. 37. При этом измерение концентрации носителей тока ведут на частоте f=1 МГц, а величину концентрации носителей тока определяют по формуле

где N - концентрация носителей тока,

C - емкость барьера,

U - напряжение смещения,

U_k - контактная разность потенциалов,

ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума,

ε - относительная диэлектрическая проницаемость,

е - заряд электрона,

A - площадь барьера.

При локальном дистанционном измерении на ВЧ концентрации носителей тока используют формулу (1), в которой величина контактной разности потенциалов U_k, величина площади барьера А для одного и того же полупроводникового материала постоянны (U_k=const, A=const). При этом к линии с распределенными параметрами, длина которой составляет нечетное число четвертей длин волн высокочастотного сигнала, подключают полупроводниковый материал с известной концентрацией N₁ или N₂, определяют соответствующие им барьерные емкости C₁ или C₂, получают калибровочную характеристику N=f(C), подключают полупроводниковый материал с неизвестной концентрацией N_x и определяют соответствующую ей барьерную емкость C_x, при выполнении условия C₁<C<C по калибровочной характеристике определяют величину измеряемой концентрации носителей тока N_x.

На фиг.1 представлен вариант блок-схемы устройства, реализующего данный способ.

Устройство содержит генератор высокой частоты 1, пиковый детектор 2, усилитель низкой частоты или осциллограф 3, колебательную систему с распределенными параметрами L_oC₀, исследуемый полупроводниковый материал 4, основание из фторопласта 5, ртутные контакты S₁ и S₂ (S₁<S).

Локальное дистанционное измерение на ВЧ концентрации носителей тока N_x практически сводится к измерению барьерной емкости C, величина которой согласно формулы (1) пропорциональна концентрации носителей тока N_x. Измерение барьерной емкости проводят известным “Способом дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах” - патент на изобретение №2131130 [3].

Высокочастотный сигнал падают в колебательную систему, выполненную в виде линии с распределенными параметрами, длина которой составляет нечетное число четвертей длин волн ВЧ сигнала. При этом частоту f_р2 ВЧ сигнала устанавливают больше (фиг.2) или меньше (фиг.3) резонансной частоты f_р1 в конце линии с распределенными параметрами для последующего использования линейно падающего или линейно возрастающего участка амплитудно-частотной характеристики. Напряжение, снятое с колебательной системы, будет иметь значение U₁ (фиг.1 или фиг.3), что соответствует значению емкости C_1калmin=0_пФ. При этом показания осциллографа принимают значения в относительных единицах, например, 6,5 (фиг.4). Подключают калибровочную емкость С_2калmax, например, 2,5 пФ. С_калmax=2,5 пФ. При этом напряжение принимает значение U₂ (фиг.2 или фиг.3), а показания осциллографа принимают значения в относительных единицах, например, 2 (фиг.4). Получают калибровочную характеристику АВ. Подключают измеряемую емкость C_x и по калибровочной характеристике определяют ее величину.

При локальном дистанционном измерении на высоких частотах концентрации носителей тока вместо калибровочных емкостей C_1калmin и С_2калmax с помощью ртутных контактов S₁ и S₂ подключают полупроводниковый материал с известной концентрацией N₁ и N₂, получают калибровочную характеристику КЛ (фиг.5). Подключают полупроводниковый материал с неизвестной концентрацией и по калибровочной характеристике определяют измеряемую величину концентрации носителей тока N_x.

Экспериментальные данные

Способ локального дистанционного измерения на высоких частотах концентрации носителей тока

Блок-схема эксперимента представлена на фиг.1, где 1 - генератор Г4-143, 2 - пиковый детектор, 3 - усилитель низкой частоты или осциллограф С1-65.

L_oC_o - колебательная система с распределительными параметрами – кабель - РК-75 длиной 1 м 60 см, 4 - исследуемый полупроводниковый материал, 5 - основание из фторопласта, S₁ и S₂ - ртутные контакты (S₁<S). Диаметр контакта S₁ равен приблизительно 1 мм.

Снята амплитудно-частотная характеристика ВЧ резонанса в конце линии с распределенными параметрами без подключения полупроводникового материала. При этом резонансная частота _p1 оказалась равной 236 МГц.

f_p1 = 236 МГц. Это отмечено в таблице № 1 и на фиг.6

Для использования линейного участка амплитудно-частотной характеристики устанавливают частоту f_p2 больше, чем f_p1 (фиг.3). Такой частотой является f_p2, равная 237 МГц.

f_p2 = 237 МГц > f_p1 = 236 МГц.

К концу линии с распределенными параметрами L_oC_o с помощью ртутных контактов S₁ и S₂ подключают полупроводниковый материал с известной концентрацией N₁, N₂, N₃ ... и определяют соответствующие значения емкости барьера C₁, C₂, C₃ ... в относительных единицах. В качестве полупроводникового материала используют арсенид галия GaAs с известной концентрацией. Таким образом получают калибровочную характеристику КЛ, которая представлена в таблице № 2 и на фиг.5. Подключают полупроводниковый материал арсенида галия GaAs с неизвестной концентрацией N_x и по калибровочной характеристике определяют величину концентрации измеряемого материала. Например, при емкости барьера, равной 5 (С бар = 5), на калибровочной характеристике КЛ (фиг.5) определяют точку P, а по ней величину концентрации легирующей примеси материала N_x·N_x, которая равна 2·10¹⁶ см^-3·N_x = 2·10¹⁶ см^-3.

Способ локального дистанционного измерения концентрации носителей тока на ВЧ имеет ряд особенностей, что отличает его от известных способов измерения.

Литература

1. Прибор для автоматического локального измерения профилей концентрации носителей тока в полупроводниковых структурах / А.А. Корнилович, Е.И. Уваров - М.: Прибор и техника эксперимента, 1999, № 4, - 138 с.

2. Батавин В.В. Контроль параметров полупроводниковых материалов. - М.: Сов. Радио, 1976, - с.29-38.

3. Патент РФ 2131130. Способ дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах / В.А. Дульбеев, опубл. в Б.И., 1999, № 15.

Формула изобретения

Способ локального дистанционного измерения на высоких частотах концентрации носителей тока, основанный на вольт-фарадном методе измерения с применением ртутных контактов, площадь одного контакта меньше площади другого контакта, при котором подают высокочастотный сигнал на колебательную систему, выполненную в виде линии с распределенными параметрами, длина которой составляет нечетное число четвертей длин волн высокочастотного сигнала, частоту которого устанавливают больше или меньше резонансной частоты для использования линейно падающего или линейно возрастающего участка амплитудно-частотной характеристики, отличающийся тем, что полупроводниковый материал подключают к концу линии с распределенными параметрами, при этом подключают полупроводниковые материалы с известной концентрацией носителей тока N₁, N₂, N₃... N_n, определяют соответствующие им емкости барьера C₁, C₂, С₃... С_n, получают калибровочную характеристику N=f(C), подключают полупроводниковый материал с неизвестной концентрацией носителей тока N_x и определяют соответствующую ей барьерную емкость С_х, при выполнении условия С₁<С<С величина неизвестной концентрации находится в пределах N₁<N... <N, по калибровочной характеристике определяют величину измеряемой концентрации носителей тока N_x.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6