Спосіб вимірювання питомого електроопору високоомних твердих розчинів напівпровідників

Реферат: Спосіб вимірювання питомого електроопору високоомних твердих розчинів напівпровідників шляхом вимірювання в низькочастотній області тангенса кута діелектричних втрат та електроємності вимірювального конденсатора, утвореного за допомогою плоских електродів, діелектричних шарів та досліджуваного зразка. UA 76300 U (12) UA 76300 U UA 76300 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до напівпровідникового матеріалознавства і може також використовуватись в напівпровідниковому приладобудуванні. Відомій спосіб вимірювання питомого електроопору високоомних твердих розчинів напівпровідників (P. De Antonis, E.J. Morton, T. Menezes "Measuring the bulk resistivity of CdZnTe single crystal detectors using a contactless alternating electric field method", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 380 (1996) p. 157-159), оснований на вимірюванні в низькочастотній області залежності тангенса кута діелектричних втрат плоского конденсатора, між пластинами якого поміщено напівпровідник, електрично ізолювавши його поверхні від електродів за допомогою тонких діелектричних шарів. Недоліком цього способу є те, що при його реалізації питомий електроопір вказаних шарів вважають суттєво більшим за такий же параметр досліджуваного зразка. Крім того вважають, що відносна діелектрична проникність зразка заздалегідь відома і не залежить від частоти змінного електричного струму. Усі ці припущення, як правило, не виконуються у випадку високоомних твердих розчинів напівпровідників, наприклад Cd1-xZnxTe (Комарь В.К., Мигаль В.П., Наливайко Д.П., Чугай О.Н. Диэлектрические свойства кристаллов Cd1-xZnxTe, выращенных из расплава. Неорганические материалы. - 2001. - Т. 37, № 5. с. 1-4.), для яких характерні високі значення питомого електроопору та частотна залежність відносної діелектричної проникності низькочастотній області. Крім того, в цьому способі не враховується вплив на результат вимірювання питомого електроопору втрат енергії електричного поля, пов'язаних з діелектричною релаксацією в досліджуваному зразку. Найближчий аналог є спосіб вимірювання питомого електроопору високоомних твердих розчинів напівпровідників (Чугай О.М., Абашин С.Л., Морозов Д.С., Олійник С.В. "Спосіб вимірювання питомого електроопору високоомних твердих розчинів напівпровідників", Патент України № 92595, G 01 R 31/26), який оснований на безконтактному вимірюванні у низькочастотній області тангенса кута діелектричних втрат та електроємності плоского конденсатора, утвореного досліджуваним зразком, який розташовують між двома тонкими шарами діелектрика. При цьому вимірюють не лише тангенс кута діелектричних втрат, але й електроємність вимірювального конденсатора. Питомий електроопір зразка для змінного електричного поля s визначають, використовуючи відоме з літературних джерел значення ' діелектричної проникності кристала (матеріалу)  s за допомогою формули     2   ds  d2  4A  B  K 2   0  's   's ds A  A  B  K  , s   s    ' 2 ' 2  A  B  K    0  s   s ds A    gdg  'g 2 dg g де A  0tge , B  , K 2 2 1  0  'g g 1  0'gg     ,  g - питомий електроопір діелектричних ' шарів, S - площа робочих граней зразка та діелектричних шарів, g - діелектрична проникність діелектричних шарів, які визначені заздалегідь,  0 - діелектрична стала. Одержаний параметр 35  s використовують для одержання уточненого значення  's за допомогою співвідношення 's  4 2ds  2ds  4D  B2 0s 2 , s s 2D  B0s 2 Де D  40 s 2  0Ce  ' . Далі повторюють ті ж розрахунки до тих пір, поки  s не буде відрізнятись від значення цього ж параметра в попередній ітерації в межах похибки вимірювань. Питомий електроопір для сталого електричного поля визначають, використовуючи заздалегідь визначену залежність відношення цієї величини до електроопору у змінному струмі як функцію відносної діелектричної проникності зразка  's . Недоліком цього способу є те, що питомий електроопір для сталого електричного поля визначають, використовуючи заздалегідь визначену залежність відношення цієї величини до 45 ' електроопору у змінному струмі як функцію відносної діелектричної проникності зразка  s . Проте визначення такої залежності може бути здійснене лише експериментально і забезпечує визначення лише середнього для певного значення діелектричної проникності зразка відношення вказаного відношення електроопорів. Це призводить до зниження точності 1 UA 76300 U 5 10 вимірювань, адже кожен конкретний зразок має свою особливу частотну залежність діелектричної проникності від частоти. Ця залежність визначається особливостями дефектної структури зразка та неоднорідностей складу. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення точності вимірювань відомим способом. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання питомого електроопору високоомного твердого розчину напівпровідників шляхом вимірювання в низькочастотній області тангенса кута діелектричних втрат та електроємності вимірювального конденсатора, який утворено за допомогою плоских електродів, діелектричних шарів та досліджуваного зразка; визначення питомого електроопору для змінного електричного поля  s з використанням відомого з літературних джерел значення діелектричної проникності кристала  's згідно з формулою    ds  d2  4A  B  K 2  0  's s  s   2  A  B  K   0 's  де 15 A  0tge ,    d A  A  B  K  ,    d A 2 ' s s 2 ' s s 'g2dg g B 1  0 'gg  2 K , 1  gdg  2 0'gg , g питомий електроопір ' діелектричних шарів, S - площа робочих граней зразка та діелектричних шарів, g діелектрична проникність діелектричних шарів, які визначені заздалегідь,  0 - діелектрична ' стала; одержання уточненого значення  s за допомогою співвідношення 's  4 2ds  2ds  4D  B2 0s 2 s s 2D  B0s 2 з використанням визначеного значення  s , де D  20 s 0Ce2 ; повторення тих же розрахунків ' доти, доки  s не буде відрізнятись від значення цього ж параметра в попередній ітерації в межах похибки вимірювань; вимірювання Ce та tge виконують для кількох фіксованих частот електричного поля частот i, для кожної з цих частот визначають питомий електроопір для 25 ' змінного електричного поля  si та діелектричну проникність кристала  si ; з використанням цих значень для широкого інтервалу значень питомого електроопору зразка  c для сталого поля розраховують функцію  1 1 F(c )      2f     '   2fi   0   'si  c i 1 i 0 si si n 30 35 2   ,   де n - кількість частот поля, при яких виконуються вимірювання; питомий електроопір зразка для сталого поля визначається таким, який відповідає мінімуму функції F(c ) . На відміну від відомого способу, взятого як найближчий аналог, в запропонованому способі вимірювання питомого електроопору високоомного твердого розчину напівпровідників питомий електроопір зразка визначають за мінімумом функції, розрахованої з використанням результатів вимірювань тангенса кута діелектричних втрат та електроємності вимірювального конденсатора зі зразком для декількох частот вимірювального поля. При цьому не використовують заздалегідь визначену залежність відношення питомого електроопору для сталого поля до електроопору у змінному струмі як функцію відносної діелектричної проникності зразка. Суть корисної моделі показано на кресленні: фіг. 1 - блок-схема пристрою, що реалізує спосіб. Фіг. 2 - частотна залежність діелектричної проникності зразка. Фіг. 3 - частотна залежність коефіцієнта діелектричних втрат зразка. Фіг. 4 - залежність від питомого електроопору зразка  c для сталого поля функції 2 UA 76300 U 2 5 10 15 n   1 1  . F(c )     ' '   i 1 2fi   0   si  si 2fi  0   si  c  Пристрій для вимірювання питомого електроопору твердих розчинів напівпровідників складається з моста змінного струму 1, вимірювального конденсатора зі зразком, який утворено електродами 2, діелектричними шарами 3 та зразком 4. Електроди 2 електрично з'єднані з мостом змінного струму 1. Між електродами 2 розміщено зразок 4, який електрично ізолювано від електродів 2 діелектричними шарами 3. Крім функції електричної ізоляції зразка діелектричні шари запобігають впливу на результати вимірювання контактних явищ в області електродів. Спосіб здійснюють при кімнатній температурі та нормальному атмосферному тиску за допомогою установки, блок-схема якої зображена на фіг. 1. Для вимірювання питомого електроопору високоомних твердих розчинів напівпровідників виконують такі операції: а) зразок 4 розміщують між електродами 2, ізолювавши його попередньо від електродів за допомогою діелектричних шарів 3; б) вимірюють електроємність Ce та тангенс кута діелектричних втрат tge системи електроди - зразок для декількох фіксованих частот електричного поля частот i; в) для однієї з частот визначають питомий електроопір для змінного електричного поля  si , використовуючи відоме з літературних джерел значення діелектричної проникності кристала ' (матеріалу)  s за допомогою формули    ds  d2  4 A  B  K 2  0 's s  si   2  A  B  K   0 's  де 20 A  0tge ,    d A  A  B  K  ,     d A 2 ' s s 2 ' s s 'g2dg g B 1  0 'gg  2 , K 1  gdg  2 0'gg , g питомий електроопір ' діелектричних шарів, S - площа робочих граней зразка та діелектричних шарів, g діелектрична проникність діелектричних шарів, які визначені заздалегідь,  0 - діелектрична  si стала; г) отриманий параметр використовують для одержання уточненого значення ' діелектричної проникності зразка на вибраній частоті  si за допомогою співвідношення 'si  25 4 2ds  2ds  4D  B2 0s 2 s s 2D  B0s 2 s де D  2 ' , д) повторюють ті ж розрахунки доти, доки  si не буде відрізнятись від  0C e  значення цього ж параметра в попередній ітерації в межах похибки вимірювань; е) повторюють операції в-д для всіх інших частот поля; ж) для широкого інтервалу значень питомого електроопору зразка  c для сталого поля розраховують функцію 2   1 1  F(c )     ' '   i 1 2fi   0   si  si 2fi  0   si  c  де n - кількість частот електричного поля; з) питомий електроопір зразка для сталого поля n 30 , визначається таким, який відповідає мінімуму функції F(c ) в інтервалі значень питомого електроопору зразка  c . Зазначимо, що верхню та нижню межі значень цієї величини вибирають, використовуючи дані літературних джерел щодо питомого електроопору досліджуваного кристала. 35 3 UA 76300 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб вимірювання питомого електроопору високоомних твердих розчинів напівпровідників шляхом вимірювання в низькочастотній області тангенса кута діелектричних втрат tg e та 5 електроємності C e вимірювального конденсатора, який утворено за допомогою плоских електродів, діелектричних шарів та досліджуваного зразка; визначення питомого електроопору для змінного електричного поля  s з використанням відомого значення діелектричної проникності кристала (матеріалу)  's згідно з формулою    ds  d2  4 A  B  K 2  0  's s  s   2  A  B  K   0  's  10 де A   0 tg e , B   'g 2 dg g  1  0  'g g    d A  A  B  K  ,    d A  2 ' s s 2 ' s s  2 , K   gdg 1   0  'g  g  2 ,  g - питомий електроопір діелектричних шарів, S - площа робочих граней зразка та діелектричних шарів,  'g - діелектрична проникність діелектричних шарів, які визначені заздалегідь,  0 - діелектрична стала; одержання уточненого значення  's за допомогою співвідношення  's  15 4  2 ds   2 ds  4D  B2  0 s 2 s s 2D  B 0 s 2 з використанням визначеного значення  s , де D  s  0 Ce 2 ; повторення тих же розрахунків доти, доки  's не буде відрізнятись від значення цього ж параметра в попередній ітерації в межах похибки вимірювань; вимірювання C e та tg e виконують для кількох фіксованих частот електричного поля частот fi , для кожної з цих частот визначають питомий електроопір для 20 змінного електричного поля  si та діелектричну проникність кристала  'si ; з використанням цих значень для широкого інтервалу значень питомого електроопору зразка  c для сталого поля розраховують функцію  1 1    2f     '   2fi   0   'si  c i 0 si si i 1  n F(c )   2   ,   де n - кількість частот поля, при яких виконуються вимірювання; питомий електроопір зразка для сталого поля визначається таким, який відповідає мінімуму функції F(c ) . 4 UA 76300 U 5 UA 76300 U Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 6