Спосіб вимірювання коефіцієнта холла напівпровідникових матеріалів

1. Спосіб вимірювання коефіцієнта Холла напівпровідникових матеріалів при включеному та виключеному магнітному полі, який відрізняється тим, що через зразок пропускають лінійнозмінний струм, включають магнітне поле, вимірюють приріст напруги (ΔUB ) між вимірювальними зондами і приріст струму ( ΔIB ) за один і той самий проміжок часу, виключають магнітне поле і вимірюють приріст напруги (ΔU) між вимірювальними зон (ΔIB ) , за ре R= d (ΔUB - ΔU) , B ΔIB де d - товщина зразка, B - величина індукції магнітного поля. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що один і той самий проміжок часу, для виміру приросту напруги і струм у, фіксують одночасними вимірами напруги і струм у багатоканальним аналоговоцифровим перетворювачем з системою одночасної вибірки каналів вимірювання. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що значення приростів струму через зразок при вимірюваннях із включеним і виключеним магнітним полем задають рівними між собою. (13) U дами при заданому прирості струму зультатами вимірювань коефіцієнт Холла визначають як величину із наступної формули: ) R = (dUУСЕР1 ) (BI) . Даний спосіб завдяки усередненню значень напруги на холлівских зондах дозволяє усунути вплив на величину напруги Холла п'яти поперечних е.р.с. побічних ефектів із восьми, які найбільше впливають на величину напруги між холлівс UУCEP1 крім напруги Холла (UX ) містяться значення напруг: UE - ефекту Еттінгсгаузена, UПНЕ - ефекту Пельтьє-Нернста-Еттінгсгаузена, UПРЛ - ефекту Пельтьє-Рігі-Ледюка, які вносять суттєвий вклад на величину U УCEP1 якщо вимірюпруги вання проведено на протязі декількох секунд від часу подачі струму через зразок [2, с 142]. Необхідність витримувати незмінну величину різнополярних струмів і магнітних полів при чотирьох процедурах виміру та скачки напруги і тривалі перезарядки ємностей вхідних кіл при комутації стуму [2 , с. 143] є суттєвими недоліками цього 32573 (11) цьому залишається в усередненому значенні на UA ( му із усередненої U УСЕР1 в чотирьох вимірах напруги на холлівских зондах визначають коефіцієнт Холла напівпровідникового матеріалу за формулою: UAC - асиметрії, UMPE - магніторезистивного ефекту, U TEPC - термоелектрорушійної сили, UHE - ефекту НернстаЕттінгсга узена, U PЛ - ефекту Рігі-Ледюка. При кими зондами. Це напруги: (19) Корисна модель відноситься до способів вимірювання коефіцієнта Холла напівпровідникових матеріалів за допомогою електричних та магнітних засобів і може бути використана для визначення коефіцієнта Холла об'ємних та плівкових матеріалів в наукових дослідженнях та у виробництві напівпровідникових електронних приладів. Відомий спосіб вимірювання коефіцієнта Холла напівпровідникових матеріалів на зразках у формі прямокутних пластин при двох напрямках струму і дво х напрямках, перпендикулярного до напрямку струму, магнітного поля [1, с. 67], в яко 3 32573 способу. Близьким до запропонованого способу є спосіб виміру вимірювання коефіцієнта Холла напівпровідникових матеріалів на зразках у формі прямокутних пластин при включеному і виключеному магнітному полі, що виключає необхідність комутації напрямку струму через досліджуваний зразок ( ) [2, с. 143], в якому із усередненої U УСЕР 2 в двох вимірах напруги на холлівских зондах визначають коефіцієнт Холла напівпровідникового матеріалу. В цьому способі усереднене значення напруги отримують як різницю виміряних напруг на холлівських зондах при двох процедурах виміру. Це дозволяє усун ути вплив на величину напруги із якої визначають коефіцієнт Холла двох поперечних е.р.с. побічних ефектів із восьми, які найбільше впливають на величину напруги між холлівскими зондами. Це напруги: U AC - асиметрії, U TEPC термоелектро рушійної сили, при цьому в усеред UУСЕР 2 неному значенні напруги Холла (UX ) містяться значення напруг: мгніторезистивного ефекту, гаузена, UHE UE UMPE - ефекту Еттінгс - ефекту Нернста-Еттінгсгаузена, UПНЕ тьє-Нернста-Еттінгсгаузена, UПРЛ UPЛ крім напруги - ефекту Рігі-Ледюка, - ефекту Пель - ефекту Пельтьє-Рігі-Ледюка [2, с. 142]. При таких вимірах на торцевих гранях зразка формують омічні контакти для підпайки струмових електродів. Для плівок контакти виготовляють по всі й ширині зразка. Вимірювальні зонди розміщують на протилежних гранях по ширині зразка. Проте прототип має суттєві недоліки: 1. Наявність додаткових, в порівнянні з аналогом, трьох поперечних побічних напруг: ефекту Нернста-Еттінгсгаузена, UPЛ UHE - ефекту Рігі Ледюка та UMPE - магніторезистивного ефекту зменшують точність вимірів. 2. Необхідність забезпечувати постійне значення величини протікаючого струму через зразок. Завданням запропонованого способу є підвищення точності вимірювання, зменшення часу необхідного для проведення процедури вимірювання величини напруги між вимірювальними холлівськими зондами та виключення необхідності забезпечення постійної величини протікаючого струму через зразок досліджуваного матеріалу при збереженні достовірності вимірів. Зазначене завдання розв'язується тим, що пропускають через досліджуваний зразок лінійнозмінний струм, включають магнітне поле вимірюють приріст напруги (DUB ) між вимірювальними (DIB ) зондами і приріст струму за один і той же проміжок часу, виключають магнітне поле і вимірюють приріст напруги (DU) між вимірювальними зондами при заданому прирості струму (DIB ) за 4 результатами вимірювань коефіцієнт Холла визначають як величину із наступної формули: R= d (DUB - DU) B DIB де d - товщина зразка, B - величина індукції магнітного поля. Один і той же проміжок часу, для виміру приросту напруги і струму, фіксують одночасними вимірами напруги і струму багатоканальним аналогово-цифровим перетворювачем з системою одночасної вибірки каналів вимірювання, а значення приростів струму через зразок при вимірюваннях із включеним і виключеним магнітним полем задаються рівними між собою. Запропонований спосіб реалізується вимірювальним пристроєм функціональна схема якого зображена на Фіг.1. До складу пристрою входять: 1 - генератор лінійнозмінної напруги; 2 - багатоканальний аналогово-цифровий перетворювач з системою одночасної вибірки каналів вимірювання (наприклад інтегральний аналого-цифровий перетворювач AD7656); 3 - ЕОМ; R0 - еталонний опір; Зр - зразок досліджуваного матеріалу форми прямокутної пластини. Вимірювання коефіцієнта Холла напівпровідникових матеріалів при включеному магнітному полі відбуваються на лінійні ділянці лінійнозмінного струм у Фіг.2. В момент часу t1 багатоканальний аналого-цифровий перетворювач одночасно знімає значення величини напруги на еталонному опорі UR 0 (Вх1 і Вх2) і на Холлівських зондах до сліджуваного зразка U Зр (Вх3 і Вх4) (при необхід ності сигнал підсилюється). Після проведення перетворень і передачі даних в ЕОМ проводяться такі ж виміри в момент часу t2. На основі отриманих даних, прямих вимірювань, проводиться розрахунок величини коефіцієнта Холла (R) виходячи із наступних міркувань. В момент часу t1 для відповідних виміряних напруг справедливі співвідношення: Ut1R0 = It1R 0 * R0, Ut1Зр = RBI t1R0 / d . В момент часу t2 для відповідних виміряних напруг справедливі співвідношення: Ut2 R0 = It2 R0 * R0, Ut2 Зр = RBIt 2R0 / d . На основі вище згаданих співвідношень: (U t2 Зр I t2 R0 тоді ) = (U ( ) - Ut1Зр = RB I t2R 0 - It1R0 / d. -I t1 R0 t2 R0 ( -U t1 R0 )/ R0, )( ( )) R = d Ut2 Зр - Ut1Зр / B It 2R0 - It1R 0 = = dDUB / (BDIR0 ) = (( )) = dR0DUB / B Ut 2R0 - Ut1R0 . 5 32573 де DUB = U Зр - U Зр . Отже, коефіцієнт Холла можна вирахувати як величину, що пропорційна відношенню приросту t2 t1 6 напруги між вимірювальними зондами до приросту струму через зразок. З іншого боку: Ut1Зр = Ut1X + Ut1AC + UTEPC + Ut1MPE + Ut1E + UHE + UPЛ + Ut1ПHE + Ut1ПРЛ, Ut 2Зр = Ut2 X + Ut2 AC + UTEPC + Ut2 MPE + Ut2 E + UHE + UPЛ + Ut2 ПНЕ + Ut 2ПРЛ. Тоді DUB = D U X + DU AC + DU MPE + DUE + DU ПНЕ + DUПРЛ. Якщо виміряти напруги на холлівських зондах без магнітного поля при умові, що для будь-яких інших моментів часу t1 і t2 приріст струму рівний D IB , то різниця виміряних напруг DU буде рівна приросту напруги асиметрії DU AC між вимірювальними зондами. Якщо генератор лінійнозмінної напруги працює в режимі джерела струму, то необхідно для виконання умови рівності приростів струму зафіксува ти однаковий проміжок часу між двома вимірами. Отже значення приросту напруги яке використовується для визначення коефіцієнта Холла буде містити такі складові DUB - DU = DUX + DUMPE + DUE + DUПНЕ + DUПРЛ. чено коефіцієнти Холла кристалів та плівок CdSb у В цьому випадку відсутні напруги UHE - ефекформі прямокутних пластин з відповідними розмірами (довжина, ширина, товщина): 12мм, 1,2мм, Нернста-Еттінгсга узена та U PЛ - е фекту Рі гі ту Ледюка. Так як вимірювання можна починати зразу після подачі лінійнозмінного струму, а час між двома вимірами знаходиться в межах 0,02-0,12с (кратний періоду коливань 50Гц) і приймаючи до уваги залежність встановлення стану термодинамічної рівноваги від часу значення приросту різниці напруг з двох вимірів справедливо стверджувати [2, с.142]: в DUB - DU = DUX + DUMPE . Якщо генератор лінійнозмінної напруги працює режимі джерела напруги [3, с.139], то DUMPE = 0 , тоді DUB - DU = DUX .. Наприклад: запропонованим способом визна 1мм та 12мм, 1,6мм, 0,3мкм при температурі 293К для кристалу 316К/см 3, а для плівок 0,365К/см 3. Швидкість зміни лінійно змінного струму була в межах 0,03 ¸ 0,06 А/с. Джерела інформації: 1. Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерения параметров полупроводниковых материалов и структур. - М.: Радио и связь, 1985. 264с. 2. Кучис Е.В. Методы исследования эффекта Холла. - М.: Советское радио, 1974. - 328с. 3. Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. - М: Радио и связь, 1990. - 264с. 7 Комп’ютерна в ерстка А. Крулевський 32573 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601