Транзисторный способ определения работы выхода электронов

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния поверхностей по величине работы выхода электронов, например при дефектоскопии, определении чистоты или степени активации поверхностей, анализе состава и структуры поверхностных слоев. Сущность изобретения: с целью расширения функциональных возможностей способа за счет применения его для различных микрообъектов и деталей сложной конфигурации, а также снижения габаритов и стоимости измерительного устройства, в качестве контактного измерительного электрода используют иглу из материала со стабильной работой выхода электронов, непосредственно соединенную с базовым выводом транзистора, определяют ток между эмиттером и коллектором и с помощью тэрировочных данных, полученных на образцах с известной работой выхода электронов, по величине тока определяют работу выхода электронов исследуемого образца. Измерительный транзистор размещают в экране, заостренный конец иглы направляют в сторону контролируемого объекта и вместе с экраном приводят в электрический контакт с объектом измерения. При проведении измерений в нетермостатируемом помещении измерительный транзистор размещают в термостабилизирующем кожухе. 2 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК гя)з G 01 R 29/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4882223/21 (22) 11.11,90 (46) 28,02,93. Бюл. M 8 (72) Ю.Л.Пятыхин и Л.И.Пятыхин (56) 1. Грин М. Поверхностные свойства твердых тел, M.: Мир, 1972, с. 208, 2. Авторское свидетельство СССР

М 1157022, кл. G 01 R 19/00, 1982. (54) ТРАНЗИСТОРНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ (57) Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния поверхностей по величине работы выхода электронов, например при дефектоскопии, определении чистоты или степени активации поверхностей, анализе состава и структуры поверхностных слоев. Сущность изобретения: с целью расширения функциональных возможностей способа за счет применения его для различных микрообьекИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния поверхностных слоев по величине работы выхода электронов, например, при дефектоскопии, определении чистоты или степени активации поверхностей, анализе состава и структуры поверхностных слоев и т.д, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения за счет использования для различных микрообьектов и деталей сложной конфигурации, а также снижение габаритов и стоимости измерительного устройства, „„5U„„1 798737 А1 тов и деталей сложной конфигурации, а также снижения габаритов и стоимости измерительного устройства, в качестве контактного измерительного электрода используют иглу из материала со стабильной работой выхода электронов, непосредственно соединенную с базовым выводом транзистора, определяют ток между эмиттером и коллектором и с помощью тарировочных данных, полученных на образцах с известной работой выхода электронов, по величине тока определяют работу выхода электронов исследуемого образца. Измерительный транзистор размещают в экране, заостренный конец иглы направляют в сторону контролируемого объекта и вместе с экраном приводят в электрический контакт с объектом измерения, При проведении измерений в нетермостатируемом помещении измерительный транзистор размещают в термостабилизирующем кожухе. 2 ил, Схема устройства включает в себя измерительный транзистор 1, эмиттер и коллектор которого подключены к измерительному блоку 2, представляющему собой последовательную цепь, состоящую из измерительного прибора 3 и источника постоянного напряжения 4, и экран 5, подключенный через резистор 6 к источнику постоянного напряжения 4, который со стороны вывода базы, направленного в сторону контролируемого объекта, имеет открытый торец, закрываемый при измерениях поверхностью контролируемого объекта, выполняющего роль стенки экрана. Для повышения точности и воспроизводимости результатов при

1798737 проведении замеров в нетермостатируемых помещениях экран 5 может быть размещен

s термостабилизирующем кожухе, поддерживающем постоянную температуру измерительного транзистора 1. 5

Перед проведением измерений с источника постоянного напряжения 4 на измерительный транзистор подается постоянное напряжение, которое вызывает протекание через транзистор тока 1,, фиксируемого из- 10 мерительным прибором 3. Это значение принимается за нулевое.

Далее экран 5 открытым торцом устанавливают на контролируемый объе т 7, который выполняет роль участка экрана 5 и 15 замыкает его внутренний объем, обеспечивая полную защиту измерительного транзистора 1 от посторонних электромагнитных полей. При этом вывод базовой области и экран приводятся в электрический контакт 20 с исследуемой поверхностью с постоянным усилием, например, с помощью пружины, Под воздействием контактной разности потенциалов произойдет ионизация базовой области, а следовательно, изменится проте- 25 кающий через транзистор ток, фиксируемый измерительным прибором 3. Для транзистора типа р-и-р при р < р, ток 4 увеличится, при „+ р„ток 1, уменьшится, где р и р, — работы выхода электронов ме- 30 талла и полупроводника соответственно.

Значение работы выхода с исследуемой поверхности определяется по показаниям прибора и тарировочным характеристикам (см.фиг, 2), Тарировка проводится для каж- 35 дого измерительного транзистора на материалах с известной работой выхода электронов.

При определении КРП микрообъектов, имеющих площадь S = 10-з 10 — 4 мм2 и 40 невидимых невооруженным глазом (структурные составляющие сплавов, элементы микросхем), можно совместить в одном приборе устройство для замера КРП и оптическую систему, позволяющую производить 45 выбор микрообъектов для измерений, как это выполнено в других совмещенных приборах, микротвердомерах типа ПМТ-З, Техническое обоснование работоспособности предлагаемого способа заключа- 50 ется в следующем, При контакте металла и полупроводника донорного типа базовой области (например, для транзистора типа р-п-р) за счет разности работ выхода происходит ионизация базовой области и, следовательно, изменение тока 1, протекающего через транзистор.

Пусть термодинамическая работа выхода металла выше работы выхода полупроводника. Так как уровень Ферми в полупроводнике расположен выше, чем в металле, то поток электронов из полупроводника будет преобладать над потоком из металла, вследствие чего металл начнет заряжаться отрицательно. а полупроводник — положительно до установления уровней Ферми металла и полупроводника на одном уровне.

Полупроводник имеет значительно меньше концентрацию электронов, чем металл, вследствие чего толщина слоя полупроводника, из которого уходят электроны, может оказаться значительной. Если полупроводник с концентрацией донорской примеси. например, Nq = 10 м сблизить с металлом на расстояние порядка параметра решетки d - 5 10 м число электронов, которое должно перейти из полупроводника на каждый квадратный метр поверхности металла при разности потенциалов VK, например 1 эВ, будет равно: п = V/ed =10

Так как в атомном слое пол /проводника

= (102 )2/3 = 10 4 -2 ных атомов, то для получения такого количества электронов необходимо ионизировать все донорные атомы на толщину примерно

1000 атомных слоев полупроводника. Т.о. в базовой области образуется неподвижный объемный положительный заряд, толщина которого d> =5 10 м и который тем боль-7 ше, чем больше разность работ выхода и меньше концентрация основных носителей в полупроводнике.

При обратном соотношении работ выхода, т.е. когда работа выхода металла меньше работы выхода полупроводника, концентрация электронов в базовой области не уменьшается, а увеличивается, создавая неподвижный отрицательный заряд, Отрицательный заряд в базовой области уменьшает высоту потенциального барьера эмиттерного перехода, вызывая тем самым дополнительную инжекцию дырок в базу и. следовательно, увеличение тока 1,. Положительный заряд повышает высоту потенциального барьера эмиттерного перехода, снижая инжекцию дырок в базу, в результате ток 4 уменьшается. Т.о. транзистор выполняет роль преобразователя контактной разности потенциалов между исследуемой поверхностью и базовой областью транзи стара в измеряемую величину тока.

В качестве измерительного транзисто ра целесообразно выбирать транзистор r. наиболее узкой базовой областью (че ° меньше ширина базы. тем глубже ионизир

9Р,737

ag(as) д „, Составитель Ю.ПАтыхин

Техред M.Moðãåíòàë Корректор Н.Слабодяник

Редактор С.Куркова

Заказ 770 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ванный слой. тем сильнее изменение проте кающего через транзистор тока). Ширина базы современных транзисторов в пределах

0,2--0,4 мкм, Хорошие результаты дает использование в устройстве полевых транзисторов и его разновидностей, Вывод базы изготавливается в виде металлической иглы для обеспечения измерения работы выхода с поверхностей микрообьектов и деталей сложной конфигурации, Поскольку не существует технических ограничений на форму базового вывода транзистора и заостренность его конца, обращенного к измерительному обьекту, то использование предлагаемого способа определения работы выхода электронов позволяет по сравнению с существующими контролировать поверхность деталей сложной конфигурации, содержащих выточки, пазы, шлицы и т.д., а также контролировать состояние поверхностей микрообъектов (структурных составляющих сплавов, элементов микросхем и т.д,).

Кроме того, использование транзисторного датчика позволяет исключить ряд требований к измери Tåëьной . с T ë ус1ройс t вэ по обеспечению высоко о входного сппрптивления (10 Ом и выше) и Г ьи;трпдейл вия

1г (7 — 10 измерений в секунду1, ко орые явля5 ются обязательными при использовании конденсаторного способэ.

Формула изобретения

Транзисторный способ определения ра10 боты выхода электронов, согласно которому полностью экранируют измерительный электрод, используя поверхность исследуемого образца в качестве стенки экрана, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повыше15 ния чувствительности и расширения области применения, в качестве контактного измерительного электрода используют иглу из материала со стабильной работой выхода электронов, непосредственно соединенную

20 с базовым выводом транзистора. определяют ток между эмиттером и коллектором и с помощью тарировочных данных, полученных на образцах с известной работой выхода электронов, по величине тока

25 определяют работу выхода электронов исследуемого образца.