Методы определения типа электропроводности полупроводников

Измерениям УЭС обязательно предшествует операция определения типа проводимости полупроводников, имеющая целью получить сведения о избыточной проводимости, т.е. установление типа преобладающих носителей заряда. Для этого необходимо сравнить s_n и s_р по величине, причём их абсолютные значения во внимание не принимаются. Таким образом, эта метрологическая операция является операцией определения, а не измерения, т.е. качественной, а не количественной.

Заметим, что определение типа проводимости не столь существенно при выходном контроле, сколько необходимо на всех этапах технологического прогресса, так как этим предотвращается "смешивание" потоков материалов с разным типом проводимости и, в конечном итоге, исключается загрязнение (компенсация) готовой продукции.

При всем многообразии методов определения типов проводимости для использования в практической метрологии полупроводников желательно отобрать такие, которые удовлетворяют в той или иной степени следующим требованиям:

- контакты должны быть прижимными (без припайки, металлизации или наваривания);

- измерения должны быть локальными (в "точке"), но достаточно экспрессными;

- измерительная или регистрирующая аппаратура должна быть максимально простой (показывающей).

В метрологии полупроводников наибольшее распределение получил метод определения типа проводимости по виду ВАХ в точечном контакте металл-полупроводник. Достаточно широко применяется метод, основанный на определении знака термоэдс.

В некоторых случаях (в исследовательских целях) используют метод определения проводимости по знаку ЭДС Холла.

Принципиальная схема определения типа проводимости по виду ВАХ (или, как ещё иногда говорят, "по знаку выпрямленной ЭДС") представлена на рис. 1.1.

Если выбрать сопротивление R₀ значительно большим, чем сопротивление контакта R_К, то напряжение U₃, подаваемое на вертикальные отклоняющие пластины осциллографа будет определяться произведением IR₀, где I - сила тока через контакт, т.е. это напряжение будет пропорционально току. В свою очередь, на горизонтальные платины подают непосредственно напряжение U₂ ~U.

Таким образом, на экране осциллографа в том или ином его квадранте в зависимости от типа проводимости будет изображена ВАХ контакта. Предварительно промаркировав квадранты по образцам с заведомо известным типом проводимости, получают возможность определять тип проводимости. Линейная (без резкого излома) зависимость ВАХ трактуется как наличие смешанной проводимости.

Основной недостаток указанного метода связан с неопределённостью ВАХ и его слабой чувствительностью применительно к высокоомным материалам, где доминирует собственная проводимость.

С целью преодоления этого недостатка часто применяют метод термоэдс в вариантах "горячего" (подогреваемого) или "холодного" (охлаждаемого) термозонда.

В случае "горячего" зонда носители заряда в точке контакта имеют большую кинетическую энергию, нежели в его более "холодной" периферийной части. В результате диффузионный поток носителей заряда от "горячей" к "холодной" области превысит обратный поток. В условиях термодинамического равновесия в полупроводнике электронного типа проводимости зонд зарядится положительно, а периферия образца - отрицательно; в полупроводнике р-типа проводимости, где носителями заряда являются дырки, "холодная" часть зарядится положительно, а зонд - отрицательно.

Замкнув образовавшуюся электрическую цепь на гальванометр с нулем посередине, можно по отклонению стрелки влево или вправо судить о типе проводимости материала.

К материалу и конструкции "горячего" термозонда предъявляют определённые тебования:

- материал должен иметь небольшой по сравнению с полупроводником коэффициент термоэдс;

- желательно использование косвенного нагрева;

- температура нагрева не должна превышать 50-70⁰ С;

- площадь контакта должна быть относительно большой, чтобы обеспечивать достаточную теплопередачу.

Обычно для контроля типа проводимости германия и кремния применяют зонды из сплава алюминия с железом.

1 – образец; 2 – к горизонтальным пластинам осциллографа; 3 – к вертикальным пластинам осциллографа.

Рис. 1.1. Схема определения типа проводимости по виду ВАХ

Для повышения чувствительности метода термоэдс к примесям измерения переводят в область низких температур. В этом случае применяют достаточно массивный, пригодный для стабильного локального охлаждения латунный или медный зонд с внутренней полостью, в которую заливается жидкий хладогент (например, жидкий азот).

Общим недостатком обоих вариантов метода термозонда является их невысокая локальность (усреднение по площади контакта), что при особо точных измерениях или при контроле образцов малых размеров нежелательно.

В таких случаях зачастую применяют метод, основанный на определении знака ЭДС Холла. Но этот метод в отличие от других является разрушающим, так как требует изготовления образцов специальной формы. Знак ЭДС определяется характкром отклонения носителей заряда во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, т.е. постоянной Холла, которая для смешанной проводимости выражается как

(1.5)