Бесконтактный способ измерения удельного электрического сопротивления образца цилиндрической формы

 

БЕСКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБРАЗЦА ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ путем подачи на оОразец через кольцевые электроды, связанные с образцом емкостньми связями, меняющегося во времени напряжения, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса измерений, к электродам прикладывают импульс напряжения прямоугольной формы, измеряют амплитуду тока, проходящего через образец, причем электроды устанавливают друг от друга на расстоянии 1, удовлетворяющем соотношению: 00 )sin(|x) ., -dx. 1 ... .где D - диаметр образца; i h - ширина электродов; 1,(х) (Л 1((х) функция Бесселя, а удельное сопротивление определяют как отношение амплитуды импульса напряжения к амплитуде импульса тока.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ.

РЕСПУБЛИК (19) (11) (5р4 Н 01 Ь 21 66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 l . Ь

sin (> x)sin (-., x) о

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ,(21) 3647239/24-25 .(22) 26.09.83 (46 ) 23.01.88. Бюл. У 3 (72) В.В.Закутин, В.П.Ромасько, M.È.Õåéôåö, А.М.Шендерович и В.С.Шестакова (53) 621.362(088.8) (56) Zucker. Contaetless Method for

the Egtinalion of Resisting and

Zefltime of Semiconductors, Rev. Sci

Instrum, 1956, v. 27, У 6, р, 409.

Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерение параметров полупроводниковых материалов. М., Металлургия, 1970, с. 99. (54) (57) БЕСКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОTHBJIEHHH ОБРАЗЦА ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ путем подачи íà обвазец через кольцевые электроды, связанные с образцом емкостнъаии связями, меняющегося во времени напрякения, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью упрощения процесса измерений, к электродам прикладывают импульс напряжения прямоугольной формы, измеряют амплитуду тока, проходящего через образец, причем электроды устанавливают друг от друга на расстоянии 1, удовлетворяющем соотношению: где D — диаметр образца;

h — ширина электродов;

I (х), 1,(х) — функция Бесселя, а удельное сопротивление определяют как отношение амплитуды импульса напряжения к амплитуде импульса тока.

1134051

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области изМерения параметров полупроводниковых материалов.

Контроль sa качеством полупроводниковых материалов, критичных к загрязненным, требует возможности измерения их удельного сопротивления без контактирования с поверхностью, например образцов, упакованных в полиэтиленовую пленку.

Известен бесконтактный способ определения удельного сопротивления р цилиндрических стержней из полупроводникового материала с использованием генератора высокой частоты.

В этом способе контролируемый образец вводят в катушку индуктивности, запитываемую от генератора, Затем определяют потери на вихревые токи, рассчитывают величину сопротивления образца и находят значение р .

К недостаткам способа можно отнести то, что искомый параметр определяется в результате расчетов, а сам способ может быть использован при измерениях образцов только с малым удельным сопротивлением () 10 Ом см).

Наиболее близким является бесконтактный способ измерения удельного электрического сопротивления образца цилиндрической формы путем подачи на образец через кольцевые электроды, связанные с образцом емкостными связями, меняющегося во времени напряжения.

Недостатком этого способа является его сложность, обусловленная тем, что необходимы измерения с помощью моста, при этом для уравновешивания плеч моста необходимо одновременно подбирать емкость и сопротивление, причем с увеличением сопротивления и уменьшением емкости точность измерения падает, И, кроме того, в результате измерений определяют сопротивление образца, а не значение р, которое нужно рассчитать.

Целью изобретения является упрощение процесса измерения путем непосредственного измерения удельного сопротивления образца.

Поставленная цель достигается тем, что в бесконтактном способе измерения удельного электрического сопротивления образца цилиндрической формы путем подачи на образец через кольцевые электроды, связанные с об4

1=—

2 в

RC

Ч 2 (2) 15

45 разцом емкостными связями, прикладывают импульс напряжения прямоугольной формы, измеряют амплитуду тока через образец, причем электроды устанавливают друг от друга на расстоянии 1, удовлетворяющем соотношению: х 1 . h

sin (x)sin(x) х2 (1) где D — диаметр образца;

h — - ширина электродов;

Т, (x), I (õ) — функция Бесселя, а удельное сопротивление определяют как отношение амплитуды импульса напряжения к амплитуде им-. пульса тока.

На фиг. 1 приведена схема размещения электродов у образца, где образец ), электроды 2, ширина электрода h, расстояние между электродами 1; на фиг. 2 — принципиальная схема устройства для реализации способа, где импульсный генератор 3, измеритель 4 тока через образец; на фиг. 3 — зависимости расстояния между электродами 1 от диаметра образца

D при которых измеряемое сопротивле1 ние между электродами равно удельному сопротивлению материала образца, где кривая 5 при h=2 см, кривая 6 при h=l см, кривая 7 при

h=0 5 см; на фиг. 4 — схема для проверки способа, где скоростной осциллограф 8; на фиг. 5 — осциллограмма тока через образец.

Предлагаемый способ состоит в следующем. Берут образец цилиндрической формы диаметром Ю, удельное сопротивление которого необходимо определить без непосредственного контакта с образцом, например цилиндрический образец, упакованный в полиэтиленовую пленку.

На образец 1 накладывают два кольцевых электрода 2, шириной h, расположенные друг от друга на расстоянии 1. К образцу через электроды прикладывают прямоугольный импульс напряжения от импульсного генератора 3. Практически длительность фрон- та прямоугольного импульса генератора t должна удовлетворять усло1 вию:

1134051 т.к. при этом протекающий через образец импульс тока будет иметь такую же амплитуду и форму, как и при непосредственном контакте поясков с образцом. Измеряя с помощью измерителя импульсного тока 4 протекающий через образец ток, можно определить сопротивление образца между электродами, как отношение амплитуды импульса напряжения генератора 3 к амплитуде импульса тока, измеренного измерителем 4. В качестве измерителя импульса тока можно использовать, например, включенное последовательно с образцом малое сопротивление, импульс напряжения с которого измеряется с помощью измерителя импульсных напряжений — импульсного осциллографа или импульсного вольтметра.

Для нахождения связи между удельным сопротивлением у и сопротивлением R образца между электродами можно воспользоваться следующей форму- 25 лой:

БЫ (х) 81 n(- х) (3) 30

Отсюда видно, что электроды могут быть выставлены друг от друга на таком расстоянии 1, чтобы измеренное сопротивление R было в точности равно удельному сопротивлению образца.

Для этого при заданном значении диаметра образца D и ширины электродов

h расстояние между электродами 1 должно удовлетворять соотношению:

21

sin - х sin — х

1= ——

I 2. х2

I (х)

1,7Х7 1 (4) При выполнении соотношения (4) 45 измерение сопротивления образца между электродами и есть фактически измерение удельного сопротивления образца Р . В отличие от прототипа предлагаемый способ предусматривает изме- gp рение Р путем измерения амплитуды импульса тока, протекающего через образец при приложении к нему прямоугольного импульса напряжения при определенном соотношении между диаметром образца и расстоянием между электродами. Следовательно, данным способом осуществляется непосредственное измерение удельного сопротивления и не требуются дополнительные расчеты для определения удельного сопротивления после проведения измерений.

Соотношение (4) для требуемого расстояния между электродами записано в неявной форме. Однако не составляет труда произвести численные расчеты интеграла в правой части выражения (4) и получить зависимость для расстояния между электродами 1 от диаметра образца D при разной ширине электродов h в явной форме. Результаты таких расчетов приведены на фиг. 3. Устанавливая электроды на расстоянии 1, определяемом с помощью этих кривых для каждого значения диаметра образца D и ширины электродов h можно произвести непосредственное измерение удельного сопротивления образца ), Пример. От импульсного генератора 3 через омический делитель подавали на измеряемый образец импульс напряжения, амплитудой 10 вольт и длительностью 100 наносекунд. Импульс на образец подавали через электроды, связанные с образцом через емкостные связи (фиг. 1). Соответствующие емкости С показаны на схеме фиг. 4. Протекающий через образец импульс тока измеряли с помощью скоростного осциллографа 8 по падению напряжения V на последовательно включенном сопротивлении 220 Ом. Диаметр измеряемого образца составлял

2,6 Ом. Измерения производились при ширине электродов 0,5 см и 1,0 см.

B соответствии с кривыми 7 и 6 на фиг. 3 электроды устанавливались на расстоянии друг от друга соответственно 4,6 см и 5,1 см. Типичная осциллограмма импульса тока через образец показана на фиг. 5. Из осциллограммы видно, что спад вершины импульса является незначительным, сле довательно емкости между и электродами и образцом С имеют достаточно большую величину для неискаженной передачи импульса (т.е ° удовлетворяют условию (2)

Измеренные по величине спада вершины импульсов емкости С составляли соответственно 50 и 100 пф (при ширине электродов 0,5 см и 1,0 см).

Амплитуда импульса тока через образец составляла в обоих случаях 7»

-4

» 1О ампера, т. е. измеренное удельное сопртивление образца составляло

1134051

14,4 10 Ом см. Эта величина совпадает с удельным сопротивлением того же образца, измеренного прямым контактным методом.

Предлагаемый способ измерения удельных сопротивлений обладает существенными преимуществами по сравнению с прототипом. Во-первых, метод измерения в прототипе является косвенным, измеряется не удельное сопротивление материала образца, а сопротивлением между поясками— электродами. После этого необходимо производить вычисления для нахождения удельного сопротивления. В предлагаемом же способе электроды устанавливают согласно формуле (4) таким образом, что измеряемая величина является удельным сопротивлением образца. Во-вторых, проведение измерений в прототипе связано со сложными операциями компенсации в одном из плеч моста одновременно двух величин — емкостей между электродами и образцом и сопротивления образца.

В предлагаемом способе отсутствуют эти операции, после подключения электродов измеритель 4 (фиг, 2) сразу покажет на своей шкале величину удельного сопротивления образца .(при соответствующей предварительной градуировке этой шкалы). Следовательно, предлагаемый способ упрощает процесс измерения.

Способ позволяет измерять большие

5 удельные сопротивления, в то время как в аналоге с удельным сопротивлением не более 10 Ом.см.

Кроме того, в аналоге величина удельного сопротивления измеряется не непосредственно, а косвенно. Сна чала определяют потери в образце, а по ним путем расчетов находят удельное сопротивление, при этом возможны погрешности, так как связь между удельным сопротивлением и потерями не является простой.

Предлагаемый способ свободен от этого недостатка, так как в нем удельное сопротивление измеряется непосредственно. Ilo сравнению с контактными" методами измерения удельных сопротивлений предлагаемый способ имеет то преимушество, что, во-первых, можно непосредственно измерять удельные сопротивления образцов, упакованных в изолирующую пленку и, во-вторых, при этом исключаются погрешности из-эа образования р-п переходов в месте контакта электро30 дов с образцом в случае измерения удельных сопротивлений полупроводников.

1134051

Фиг.4

1134051

Корректор С.Черни

Редактор Н.Сильнягина Техред Л.Олийнык

Заказ 738

Тираж 746 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная. 4