Пристрій для комплексних вимірів параметрів напівпровідникового матеріалу

Реферат: UA 101175 U UA 101175 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області техніки експресних, неруйнівних методів вимірювання електрофізичних та теплофізичних параметрів злитків напівпровідникового матеріалу в автоматичному режимі, а точніше, до пристроїв, застосовуваним для вимірів питомої електропровідності, коефіцієнтів термо-ЕРС та теплопровідності напівпровідникового матеріалу. Конструкції пристроїв для автоматичних комплексних вимірів параметрів напівпровідникових матеріалів повинні бути продуктивними, неруйнівними для зразка, що досліджується, а виміри повинні бути відтворюваними та точними. Відомий пристрій для автоматичних вимірів електрофізичних параметрів напівпровідникового матеріалу [заявка на корисну модель "Пристрій для вимірів електрофізичних параметрів напівпровідникового матеріалу", реєстраційний № u201500010 від 5.01.2015 p.]. Пристрій для неруйнівного контролю, що містить вимірювальну головку з гарячим і холодним зондами, механізми автоматичного переміщення зразка та зондів, блоки управління І вимірювання. Причому конструкція вимірювальної головки автоматично забезпечує мінімальні перехідні теплові та електричні опори між зондами і зразком, що сприяє високій точності та відтворювальності вимірювань електропровідності і коефіцієнта термо-ЕРС. Недоліком пристрою є відсутність режиму вимірювання коефіцієнта теплопровідності. Відомий пристрій для комплексного визначення параметрів напівпровідникового термоелектричного матеріалу [Корисна модель "Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності і коефіцієнта термо-ЕРС термоелектричних матеріалів" UA № 71614, G01R 27/00, бюл. № 14, 25.07.2012 p.], що містить вирізаний з злитка матеріалу зразок правильної форми, два стаціонарних зонда, еталонний нагрівач для створення градієнта температур уздовж всього зразка для визначення теплопровідності стаціонарним методом, фонові і екранні нагрівачі, термостат для дослідження параметрів в широкому діапазоні температур. Недоліки цього пристрою полягають у наступному: - спосіб визначення параметрів вимагає руйнування злитка для приготування зразка; - стаціонарний метод визначення коефіцієнта теплопровідності вимагає часу до 30-60 хв. для досягнення встановленого градієнта температур при вимірах; - стаціонарне кріплення зондів на зразку виключають можливість автоматичних вимірювань в інших точках. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі, в частині вимірювання коефіцієнта теплопровідності, є пристрій, вибраний за найближчий аналог [Авторське свідоцтво СРСР "Спосіб визначення теплопровідності матеріалів і пристрій для його здійснення" № 1057830, G01N 25/18, 30.11.1983 p.], який містить два стрижнеподібних зонди, у яких одні кінці контактують з поверхнею зразка, а другі - з термоелектричною батареєю, автоматичний регулятор різниці температур, на вхід якого підключена перша диференційна термопара, а в ланцюг його навантаження включена термобатарея. Друга диференційна термопара підключена до вимірника термо-ЕРС, а робочі кінці її підключені до кінців першої термопари, які розташовані на термобатареї. Робочі кінці першої термопари ізольовані від зондів, розташовані в місцях їх контакту зі зразком. При підтримці постійної різниці температур між робочими кінцями зондів, коли вони контактують із зразком, величина термо-ЕРС другої термопари буде пропорційна коефіцієнту теплопровідності зразка U=aλ+в, де U - термо-ЕРС другої термопари; λ - коефіцієнт теплопровідності зразка; а, в - константи, які визначаються в процесі градуювання зі стандартними зразками. До недоліків цього пристрою можна віднести наступне: - пристрій призначений тільки для роботи з плоскими поверхнями зразків; - великі контактні поверхні зондів збільшують час вимірювань до 5-10 хв.; - конструктивна складність створення різниці температур між зондами за допомогою термоелектричної батареї; - великі габарити вимірювальної головки. В основу корисної моделі поставлена задача - комплексне експресне вимірювання параметрів напівпровідникового матеріалу, а саме електропровідності, коефіцієнта термо-ЕРС, коефіцієнта теплопровідності в автоматичному режимі і усунення вищеперерахованих недоліків, властивих аналогам та найближчому аналогу. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для комплексних вимірів параметрів напівпровідникового матеріалу, що містить гарячий і холодний зонди, які контактують із зразком, автоматичний регулятор різниці температур між зондами, на вхід якого підключений вихід вимірювача температури диференційною термопарою, робочі кінці якої встановлені в місцях 1 UA 101175 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 контакту зондів із зразком, резистивний нагрівач гарячого зонда, механізми підйому та опускання зондів, а також переміщення їх відносно зразка, блок управління, блок вимірювання та обчислення параметрів, який відрізняється тим, що між виходом автоматичного регулятора та резистивним нагрівачем гарячого зонда включений вимірювач напруги та/або струму, вихід якого підключений до блока вимірювання та обчислення параметрів. У пропонованій корисної моделі за рахунок включення додаткового вимірювача напруги та/або струму, обчислюється електрична потужність резистивного нагрівача гарячого зонда, на підставі якої вираховується коефіцієнт теплопровідності; резистивний нагрівач спростив конструкцію пристрою створення різниці температур між зондами; за рахунок точкового контакту зондів із зразком, стаціонарний режим встановлюється швидше, що збільшує продуктивність комплексних вимірювань за одне торкання зондами зразка; так само, точковий контакт дозволяє працювати установці з плоскими та кривими поверхнями зразка. На кресленні представлена блок-схема запропонованого пристрою. Пристрій для комплексних вимірів параметрів напівпровідникового матеріалу зразка 1, містить гарячий зонд 2, холодний зонд 3, які в момент вимірювання контактують із зразком 1; резистивний нагрівач 4 гарячого зонда 2; диференційну термопару 5, робочі спаї якої розташовані в місцях безпосереднього контакту зондів 2 та 3 із зразком 1, причому один робочий спай гальванічно зв'язаний з гарячим зондом 2, а другий ізольований від холодного зонда 3; вимірювач 6 різниці температур диференційною термопарою; автоматичний регулятор 7 різниці температур між зондами 2 та 3; вимірювач 8 напруги та/або струму, який включений між виходом автоматичного регулятора 7 та резистивним нагрівачем 4 гарячого зонда 2; механізми 9 автоматичного переміщення зондів 2 та 3; блок керування 10 роботою пристрою; блок вимірювання та обчислення параметрів 11, до якого підключені потенційні виводи зондів 2 та 3, струмові виводи зразка 1, виходи вимірювача 8 напруги та/або струму та вимірювача 6 різниці температур диференційною термопарою 5. Пристрій працює наступним чином. У початковому положенні зонди 2 і 3 (див. креслення) не контактують із зразком 1, автоматичний регулятор 7 підтримує задану різницю температур між зондами (Тг-Тх), наприклад в межах 10 °C. Напруга та/або струм з виходу вимірювача 8 приходять на блок 11, де вираховується потужність Ро, яку нагрівач 4 витрачає на нагрівання гарячого зонда 2 і втрати тепла у навколишнє середовище. Ця потужність реєструється блоком 11. Потім зонди 2 та 3 автоматично опускається на зразок 1 і на його поверхні регулятором 7 підтримується та ж задана різниця температур (Тг-Тх). При цьому за рахунок відводу зразком 1 тепла від гарячого зонда 2, споживана нагрівачем потужність Рн збільшується з часом і через деякий час τі, визначений експериментально, настане квазістаціонарний режим і значення Рн автоматично зареєструється блоком 11. Процес поширення теплоти безперервного точкового джерела потужністю Р, що виділяється на поверхні напівнескінченного в тепловому відношенні тіла, описується залежністю [Рикалін М.М. Розрахунки теплових процесів при зварюванні. - М.: Машгиз, 1951. - 296 с.]: Т(R, τ)-Тх=Р[1-Ф(R:4ατ)]:4πλR, (1) де Т(R, τ) - температура в розглянутій точці,° С; Тх - температура холодного зонда, °C; Р=Рн-Ро - потужність, споживана нагрівачем при контакті зі зразком, Вт; τ - час з моменту початку дії джерела тепла, с; R - відстань від джерела тепла Р до розглянутої точки тіла, м; 2 α - коефіцієнт температуропровідності, м /с; λ - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м•K); Ф - функція інтеграла ймовірності (інтеграл ймовірності або функція ймовірності помилок). При сталому режимі інтеграл Ф прийме кінцеве постійне значення менше одиниці Ф=С і формула (1) для теплопровідності прийме вигляд λ =(Рн-Ро)•(1-С): [4πR(Тг-Тх)], або λ =А•(Рн-Ро)+В, (2) де А=(1-С):[4πR(Тг-Тх)] - постійна величина для даної конструкції зондів і заданій різниці температур; В- постійна величина, поправка при заданому режимі вимірювання. Постійні величини А і В визначають експериментально при калібруванні зі стандартними зразками теплопровідності. З формули (2) видно, що теплопровідність зразка повинна лінійно залежати від споживаної потужності нагрівача, що спрощує обчислення і зменшує похибку її визначення. Лінійну ділянку визначається експериментально. 2 UA 101175 U 5 10 15 20 25 30 За обчисленими значенням Ро і Рн, експериментально визначеним коефіцієнтами А і В, за формулою (2) у блоці 11 обчислюється коефіцієнт теплопровідності λ зразка 1. Одночасно з визначенням коефіцієнта теплопровідності обчислюється коефіцієнт термоЕРС α за формулою (3), як відношення різниці потенціалів між зондами, до виміряної різниці температур між ними α=AU: (Тг-Тх), (3) де α - коефіцієнт термо-ЕРС, мкВ/°С; ΔU - різниця потенціалів між гарячим і холодним зондами, мкв. Електропровідність о матеріалу зразка 1 обчислюється за формулою (4) при різних напрямках струму для компенсації термо-ЕРС, з урахуванням геометричних розмірів зразка + σ=(2•L•I):(S•|U -U |), (4) -1 де σ - електропровідність, (Ом • см) ; L - відстань між зондами 2 та 3, см; І - струм через зразок 1, А; 2 S - переріз зразка 1, см ; + U - різниця потенціалів між зондами 2 та 3 при позитивному напрямку струму, В; U - різниця потенціалів між зондами 2 та 3 при негативному напрямку струму, В. Після виконання вимірювань в даній точці, зонди автоматично можуть переміститися в наступну точку на зразку, де будуть проведені наступні комплексні вимірювання. Таким чином, пропонований пристрій для комплексних вимірювань параметрів напівпровідникових матеріалів дозволяє в автоматичному режимі, за один дотик зондами 2 та 3 зразка 1, провести вимірювання електропровідності, коефіцієнтів теплопровідності і термо-ЕРС, що в такій сукупності своїх технічних ознак не забезпечує жодна з установок, серед відомих аналогів і прототипів на сьогоднішній момент часу. Крім того, пристрій дозволяє в автоматичному режимі досліджувати поверхневий розподіл вказаних параметрів з прив'язкою до координат поверхні зразка 1. Експериментальні дослідження пристрою при роботі з термоелектричним матеріалом в стрижнях показали, що при часі вимірювання всіх трьох параметрів 18 с на одну точку, який значно менший, ніж час у наведених аналогах та у прототипі, похибки вимірювання електропровідності не перевищували 1 %, коефіцієнта термо-ЕРС - 3 %, коефіцієнта теплопровідності у діапазоні 0,7-2,5 Вт/м • K - не більше 6 %. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Пристрій для комплексних вимірів параметрів напівпровідникового матеріалу, що містить гарячий і холодний зонди, які контактують із зразком, автоматичний регулятор різниці температур між зондами, на вхід якого підключений вихід вимірювача температури диференційною термопарою, робочі кінці якої встановлені в місцях контакту зонда із зразком, резистивний нагрівач гарячого зонда, механізми підйому та опускання зондів, а також переміщення їх відносно зразка, блока управління, блока вимірювання та обчислення параметрів, який відрізняється тим, що між виходом автоматичного регулятора та резистивним нагрівачем гарячого зонда включений вимірювач напруги та/або струму, вихід якого підключений до блока вимірювання та обчислення параметрів. 3 UA 101175 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4