Чинники, що визначають точність вимірювань питомого електричного опору зондовими методами

Напівпровідники за визначенням є класом речовин, виключно чутливих до різних фізичних дій. При виконанні зондових вимірювань величини ПЕО обов'язково доводиться брати до уваги внесок безлічі випадкових і постійно діючих, незалежних і взаємодіючих, істотних і незначних, принципових і конструктивних, об'єктивних і суб'єктивних чинників в остаточний результат.

Нам представляється доцільним виділити і розглянути такі основні чинники, що визначають точність вимірювань ПЕО: об'ємні неоднорідності, краєві ефекти, геометрія контактів, коливання міжзондових відстаней, приконтактні опори, освітлення зразка і теплові ефекти.

Безумовно, цей перелік не повний.

Об'ємні неоднорідності

В подальших розділах це питання буде освітлено спеціально і достатньо детально. Тому обмежимося лише фіксацією того, що вплив об'ємних неоднорідностей на результат вимірювань ПЕО визначається двома чинниками:

1. Характером усереднювання величини ПЕО, що виміряється, результат якого залежить як від вибраного методу, так і від виду самої неоднорідності.

2. Спотворенням сигналу, що виміряється, за рахунок дії вторинних фізичних ефектів, які зобов'язані своїм походженням наявності об'ємних неоднорідностей в умовах протікання електричного струму.

Краєві ефекти

В двохзондовому методі краєві ефекти виникають, якщо потенційні зонди розташовуються на відстані Z від струмових, порівнянному з міжзондовими відстанями L. В основі краєвого ефекту лежать два явища: викривлення ліній струму через малі розміри струмового контакту в порівнянні з перетином зразка і утворення області об'ємного заряду з підвищеним ПЕО, розміри якої визначаються довжиною дрейфу нерівноважних носіїв заряду, тобто залежать від величини t _н.н.з. і густина струму j.

Необхідна умова зменшення погрішності краєвого ефекту – L/Z << 1 (звичайно на практиці достатньо, щоб L/Z = 0,25.0,3).

Притискні струмові контакти повинні бути масивними, покривати перетин зразка, іноді заздалегідь здійснюється металізація поверхні напівпровідника.

При чотиризондових вимірюваннях аналогічні ефекти мають місце, якщо зонди розташовуються на відстані менш 5s від країв зразка, тобто поблизу діелектричної межі. Втім, для чотиризондового методу достатньо повно розраховані і добре протабульовані поправки на різні види краєвих ефектів (ізолююча межа, провідна межа, товщина і форма зразка і т.д.).

Геометрія контактів

В основу більшості методів вимірювання ПЕО закладена вимога точковості потенційних зондів. Проте, реальні контакти завжди мають певну площу (протяжність) ділянки торкання із зразком, що вносить погрішність в кінцевий результат.

Потенційні контакти при будь-якому методі вимірювань повинні задовольняти умові:

(1.28)

Наприклад, для чотиризондового методу при відношенні 2r/=0,05 , пов'язана з цим погрішність достатньо помітна і складає близько 2 %. Проте, при зменшенні 2r зростає опір розтікання, що може викликати сильні локальні неоднорідності електричного поля і спровокувати нові (іноді більш істотні) помилки.

В двозондовому методі для струмових контактів повинна виконуватися умова:

(1.29)

де D – діаметр контакту.

В методі Ван-дер-Пау погрішність залежить від виду контактів. Якщо торкання ножового контакту має протяжність d, а діаметр пластини рівний D, то погрішність у відсотках складає:

- при розташуванні ножа по хорді – 0,77 ;

- при розташуванні ножа по діаметру – 3,09 ;

- при точковому торканні площі зразка – 6,17.

Міжзондові відстані

Коливання міжзондових відстаней вносять навряд чи не найістотнішу погрішність в результат вимірювань. Оскільки величини міжзондових відстаней входять у формули для обчислення ПЕО, то ці помилки можуть бути оцінені в загальному вигляді.

Хай в эквідистантній чотиризондовій вимірювальній головці кожний контакт зміщується на малу відстань . Умова эквідистантності порушується, тобто . Користуючись формулою 1.11 можна показати, що зміна потенціалу матиме вигляд:

(1.30)

Звідси

(1.31)

Харгрівс показав, що, якщо, а, то помилка визначення ПЕО чотиризондовим методом складе:

(1.32)

Аналогічний вираз отриманий для двозондового методу:

(1.33)

Кращим методом виключення помилки, викликаної розбіжністю зондів, є вимірювання фактичних міжзондових відстаней у момент вимірювання (наприклад, за допомогою годинного проектора) з подальшою підстановкою їх значень в розрахункові формули. Проте, абсолютно ясно, що при масових вимірюваннях така процедура неможлива.

Аналіз показує, що невизначеність положення зондів може бути представлений у вигляді двох становлячих: пружна (відновлене) розбіжність зондів на нерівностях поверхні зразка і залишкова деформація зондів, що нагромаджується у міру їх експлуатації.

Перша складова носить характер випадкових відхилень, і її внесок може бути мінімізований статистичним підходом до оцінки результатів вимірювань.

Друга погрішність носить систематичний, але не фіксований характер, і тому не може бути врахований у вигляді поправки. З метою зменшення її ролі використовують систему певних організаційно-технічних заходів: обмеження терміну експлуатації, проведення періодичних і раптових перевірок, скорочення міжповірчих інтервалів, поточна наладка і інше.

Приконтактні опори

Вже наголошувалося, що опір контакту може в 10³...10⁵ раз перевищувати опір самого зразка. Тому застосовуються компенсаційні методи вимірювань або щоб уникнути витоків струму використовують реєструючі прилади з високим вхідним опором (10⁹.10¹⁰ Ом).

Результати вимірювань можуть бути сильно спотворені через вплив поверхневої провідності. Поверхнева провідність (s_пов) може по ряду причин сильно відрізнятися від об'ємної (s_про). Якщо s_пов >> s_о, то має місце ефект "закорочування зондів". В цих випадках канали поверхневої провідності прагнуть усунути піскоструминною обробкою, шліфовкою, травленням і т.д. Погрішність значно зменшується, якщо s_пов < s_о, але в цьому випадку спостерігається підвищення приконтактних опорів, що саме по собі також небажано. Іноді поверхнева шліфовка поверхні германію з провідністю, близькою до власної, яку роблять з метою зменшення інжекції з боку струмових контактів, приводить до небажаної зміни опору поверхневого шару, і, як результат, погрішність при вимірюваннях ПЕО може перевищити 20 %.

Освітлення зразка

Освітлення напівпровідників викликає виникнення фотопровідності, а в деяких випадках (коли є градієнти концентрації або градієнти освітленості) – різних фотоерс.

Неконтрольований рівень і спектральний склад освітлення (як природного, так і штучного) можуть викликати великі погрішності при визначенні ПЕО, особливо у високоомних зразках з великими значеннями t_н.н.з..

Наприклад, при вимірюванні ПЕО германію n-типа при кімнатній температурі з концентрацією n = 1014 см-3, довжина дифузії дірок Lp = 2 мм і при швидкості поверхневої рекомбінації S = 100 см/с погрішність за рахунок неконтрольованої освітленості оцінюється в 20 %.

Найрадикальнішим засобом зниження внеску вказаної погрішності є вимірювання в темноті і застосування світлозахисних екранів і масок.

Теплові ефекти

Неконтрольований температурний режим вимірювання ПЕО може привести як до зміни середньої температури зразка, що безпосередньо спричиняє за собою відповідну зміну провідності, так і до виникнення температурних градієнтів, що викликають прояв різних паразитних термоерс.

Ці температурні коливання можуть бути пов'язані із змінами температури навколишнього середовища за рахунок впливу природних і техногенних чинників, нагрівальною дією електричного струму, відмінністю тепловідвода через контакти, зіткненням з людським тілом і т.д.

Для зменшення дії вказаних чинників застосовується широкий спектр заходів:

- кондиціонування приміщень вимірювальних лабораторій;

- введення поправок на фактичну температуру зразка;

- термостатування зразків;

- екранування вимірювальних установок від прямого впливу джерел тепла і світла;

- зменшення густини вимірювального струму і т.д.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: