Способ определения энергетических уровней полупроводников

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, основанный на воздействии на полупроводниковый образец внешним электрическим полем, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и упрощения, возбуждают в локальной области полупроводникового образца управляемые по величине электричесliv кие колебания частотой f 2L п - целые числа, v - скорость волны деформации кристаллической решетки, L - длина части образца, свободной от возбуждения, измеряемая вдоль направления распространения волны, затем устанавливают на поверхности образца два металлических зонда в направлении распространения волны деформации, причем расстояние между ними не превышает четверти длины волны деформации кристаллической i решетки и один из них находится на минимально возможном расстоянии от локальной области, измеряют постоянную разность потенциалов между зондами , а о параметрахэнергетических уровней судят по зависимости разности потенциалов от величины напряжения возбуждающего электрического поля. СО со 00 7 V (J}fJ2. /

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

09) (И) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ с,, Р! «,) ;1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3583529/24-25 (22) 25.04.83 (46) 30.09.86. Бюл . У 36 (71) Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации им. Ленинского комсомола (72) Э.Э.Аболтиньш и Х.И. Кугель (53) 621.382(088.8) (56) Ковтонюк Н.О., Концевой Ю.А.

Измерение параметров полупроводниковых материалов, М., "Металлургия", 1970, с. 402-408.

Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерение параметров полупроводниковых материалов, М., "Металлургия", 1970 с. 399-400. с (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, осно ванный на воздействии на полупроводниковый образец внешним электрическим полем, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и упрощения, возбуждают в локальной (5)) 4 Н 01 L 21/66, (01 R 31/26 области полупроводникового образца управляемые по величине электричесnv кие колебания частотой f = —, где

2L и — целые числа, У вЂ” скорость волны деформации кристаллической решетки, L — длина части образца, свободной от возбуждения, измеряемая вдоль направления распространения волны, затем устанавливают на поверхности образца два металлических зонда в направлении распространения волны деформации, причем расстояние между ними не превышает четверти длины волны деформации кристаллической решетки и один из них находится на е минимально возможном расстоянии от локальной области, измеряют постоянную разность потенциалов между зоно дами, а о параметрах энергетических уровней судят по зависимости разности потенциалов от величины напряжения возбуждающего электрического поля.

1131398 2

Изобретение относится к измерительной технике и может быть в частности использовано при определении электрофизических свойств полупроводниковых кристаллов.

Известны способы определения энергетических уровней полупроводников, основанные на взаимодействии света с полупроводником, согласно которым по частотной зависимости коэффициенI та поглощения или фотопроводимости определяют ширину запрещенной зоны и энергию примесных уровней.

Недостатком этих способов является сложность аппаратурной реализации.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения энергетических уровней полупроводников, основанный на воздействии на полупроводниковый образец внешним электрическим полем.

Способ дает возможность вычислить ширину запрещенной зоны материала на основании температурного хода проводимости, для чего требуется подать на образец электрическое и тепловое поля.

Недостатками способа является сложность и невысокая точность, так как при его реализации используется большое количество приборов, а образец должен иметь определенные геометрические размеры. Кроме того, контактные явления при пропускании и индикации электрического тока через полупроводник ограничивают способ по концентрации и подвижности носителей заряда. Известным способом нельзя отличить донорные примеси от акцепторяых.

Цель изобретения . — увеличение точности и упрощение способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения энергетических уровней полупроводников, основанном на воздействии на,полупроводниковый образец внешним электрическим полем, возбуждают в локальной области полупроводникового образца управляемые по величине электрические колебания с частотой

Гй7

f = —, где п- целые числа, v скорость волны деформации кристаллической решетки, L — длина свободной от возбуждения части образца, измеряемая в направлении распространения волны, затем устанавливают на поверх5

55 ности образца два металлических зонда в направлении распространения волны деформации, причем расстбяние между ними не превышает четверти длины волны деформации кристаллической решетки и один из них находится на ми- ° нимально возможном расстоянии от ло— кальной области, измеряют постоянную разность потенциалов между зондами, а о параметрах полупроводника судят по зависимости разности потенциалов от величины напряжения возбуждающего электрического поля.

На фиг. 1 представлена схема, с помощью которой реализуется способ, на фиг. 2, 3 показана зависимость разности потенциалов между зондами

U, расположенными на поверхности полупроводника, от напряжения на обкладках конденсатора U возбуждающего электрические колебания в локальной области полупроводникового образца.

Часть исследуемого полупроводника 1 (фиг. 1) помещают между обкладками конденсатора 2 и изолируют от них диэлектрическими пленками 3 так, что за его пределами остается свободная часть образца длиной L. Подключая обкладки конденсатора к генератору сигналов, создают в локальной области полупроводника переменное электрическое поле, которое вызывает колебания свободных носителей заряда и ионов. Так как последние связаны с нейтральными атомами кристаллической решетки квазиупругими силами, то вдоль свободной части полупроводника будет распространяться волна кристаллической решетки. За счет интерференции бегущей от источника (конденсатора) и отраженной от края полупроводника волн возникает стоячая волна кристаллической решетки. В узлах стоячей волны процессы генерации и рекомбинации определяются тепловыми явлениями, а в остальных областях стоячей волны процессы рекомбинации происходят интенсивнее за счет встречных колебаний ионов кристаллической решетки и свободных носителей заряда. Это приводит к уменьшению концентрации свободных носителей заряда в пучностях по сравнению с областями узлов стоячей волны. Таким образом, вдоль полупроводника будет наведено распределение концентрации свободных носителей за1131 ряда с закономерностью, обратной распределению колебаний в стоячей волне. Между двумя металлическими. зондами 4, расположенными на поверхности свободной части полупроводника, один из которых — в области пучности, а другой — в области узла стоячей волны, наводится разность потенциалов, обусловленная разными концентрациями свободных носителей заряда, фиксируемая цифровым вольтметром 5, работающим в режиме постоянного напряжения.

Величину амплитуды колебаний в стоячей волне можно регулировать из- 15 менением напряжения на конденсаторе.

С увеличением этого напряжения будет расти амплитуда колебаний ионов кристаллической решетки и,свободных . носителей заряда, в связи с чем уве- 20 личивается частота их столкновений.

Все это приводит к увеличению интенсивности рекомбинационных процессов и уменьшению концентрации свободных носителей заряда в пучностях стоячей 25 волны. Когда энергия свободных электI ранов, сообщенная им электрическим полем, становится равной энергии пере— ,хода связанных электронов на более высокий энергетический уровень в кристалле, интенсивность процесса генерации увеличивается из — за ударной ионизации, увеличивается и концентрация свободных носителей заряда. Если это основные носители заряда, то раэ 35 ность потенциалов между зондами умень шается, если это неосновные — увеличивается. При этом закономерность зависимости разности потенциалов между зондами от напряжения на конден40 саторе скачком изменится.

Пример реализации способа. ,Часть исследуемого образца в виде кремниевой пластины, легированной бором (р-типа проводимости), с 4 удельным сопротивлением 0,1 Омм, диаметром 25 мм помещают между обкладками конденсатора площадью 10 10 мм и изолируют от них полиэтиленовыми йленками той же площади толщинЬй Ы

0,5 мм. Обкладки конденсатора подключают к генератору сигналов типа ГЗ7А, работающему на частоте 10 Гц.

Разность напряжений на зондах, расположенных на расстоянии 1 мм друг Ы от друга и от обкладок конденсатора, фиксируют цифровым вольтметром типа

В7-27А, работающим в режиме измере398

4 ния постоянного напряжения. Частота

10 Гц является оптимальной для полупроводниковых пластин, выпускаемых промышленностью.

На фиг. 2 показано изменение напряжения на зондах U от напряжения . на обкладках конденсатора U, s пределах 0 15-1,6 В, а на фиг. 3 — в пределах 0,005 — 0,150 В. На фиг. 2 наблюдаются три линейных участка при напряжениях на обкладках конденсатора в пределах 0,005-0,050 В; 0,0551,0 В; 1,1-1,6 В. При напряжении на обкладках конденсатора в пределах

0,050 вЂ,055 В ход зависимости скачкообразно изменяется из-за уменьшения напряжения на зондах, Следовательно, энергия перехода электронов на более высокий уровень равна 0,05 эВ. По уменьшению напряжения между зондами можно судить о том, что в результате перехода увеличилась концентрация основных носителей заряда. Таким образом, определена величина энергии акцепторного примесного уровня, который находится на расстоянии 0,05 эВ от дна запрещенной зоны.

Следующий перелом графика фиг. 2 соответствует напряжению на конденсаторе 1,0 В, при котором разность напряжений на зондах несколько увеличивается, достигая максимума при напряжении на конденсаторе t,05 В. Следовательно, в данном случае увеличилась концентрация неосновных носителей заряда, что возможно при переходе электронов из валентной зоны в соседнюю свободную зону. Поэтому ширина запрещенной зоны равна 1,05 эВ.

Приведенные значения акцепторного уровня (кремний, легированный бором) и ширины запрещенной зоны соответствуют литературным данным. По сравнению с базовым объектом предлагаемый способ определения энергетических уровней полупроводников принципиально отличается от него и имеет следующие преимущества:

1) использует взаимодействие электрической энергии с полупроводником без каких-либо дополнительных преобразований энергии из одного вида в другой;

2) использует полупроводниковые пластины, выпускаемые промышленностью, без какой-либо их обработки;

3) использует контактные явления для индикации, что снимает ограничеРедактор Е.Иесропова

Техред И.Попович

Корректор Л.Пилипенко

Тираж 643 Подписное

ВНИИПИ Государственного квмитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д . 4./5

Заказ 5267/2.Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул.Проектная, 4

3 11 ния на концентрацию и подвижность носителей заряда, 4) для его реализации используют минимальное число приборов — источник переменного электрического напряжения и вольтметр постоянного напряжения, 5) графические зависимости строятся с большой точностью, обеспечиваемой регулируемым источником переменного напряжения, 31398 ь

6) позволяет определить донорные и акцепторные уровни в отдельности.

Указанные преимущества расширяют сферу применения способа определения энергетических уровней полупроводников, что имеет большое значение нри исследовании электрофизических свойств полупроводников и их исполь10 зовании в полупроводниковых приборах, интегральных схемах и т.д.

Способ определения энергетических уровней полупроводников Способ определения энергетических уровней полупроводников Способ определения энергетических уровней полупроводников Способ определения энергетических уровней полупроводников 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может найти применение в электронной технике для измерения напряжений на диэлектрике и полупроводнике, а также их временного изменения в МДПДМ-структурах
Наверх