Физические методы исследований с использованием современного оборудования (стр. 3 )

Количественно тепловое расширение материалов характеризуют температурным коэффициентом объемного расширения, а для твердых материалов – и температурным коэффициентом линейного рас-
ширения.

Экспериментально эти коэффициенты определяют методами дилатометрии, изучающей зависимость изменения размеров тел при воздействии внешних факторов, при использовании специальных при-
боров – дилатометров.

Термоэлектрические явления – совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрически-
ми процессами в металлах и полупроводниках.

Теплопроводность и термоэлектрические явления часто используются для определения электрофизических параметров проводящих материалов.

К термоэлектрическим явлениям относятся следующие: эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона.

Эффект Зеебека (1821 г.). Если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т1 не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

В замкнутой цепи для многих пар металлов (например, Сu – Bi,
Ag – Сu, Аu – Сu) электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна разности температур в контактах:

ЭДС = б (Т1 – Т2).                         (11.1)

Указанная ЭДС называется термоэлектродвижущей силой. Причина ее возникновения определяется внутренней контактной разностью потенциалов на границе двух металлов.

Эффект Зеебека используется для измерения температуры с помощью термопар – датчиков температур, состоящих из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников.

Эффект Пельтье (1834 г.). При прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека и используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках, созданных впервые в 1954 г. под руководством , и в некоторых электронных приборах.

Эффект Томсона (Кельвина) (1856 г.). В более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, и, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если же электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они, наоборот, пополняют свою энергию за счет энергии решетки, в результате чего происходит поглощение теплоты Томсона в металлах и сплавах.

1.3. методы измерения электрофизических характеристик проводящих материалов

Удельное электрическое сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества, (с) характеризует его способность не проводить электрический ток.

Многие методы измерения удельного сопротивления основаны на определении разности электрических потенциалов на некотором участке образца, через который пропускают электрический ток. Существуют контактные и бесконтактные методы определения удельного сопротивления. Из контактных методов в лабораторной и производственной практике широко используются зондовые методы.

Двухзондовый метод используется для измерения удельного сопротивления образцов правильной геометрической формы с известным поперечным сечением. Этот метод применяют для контроля распределения удельного сопротивления по длине слитков полупроводникового материала. Рабочий диапазон измеряемых значений удельного сопротивления равен 10–3–10–4 Ом·см, но может применяться и для измерения удельных сопротивлений менее 10–3 Ом·см.

Однозондовый метод получается из двухзондового, если одну из клемм вольтметра соединить с токопроводящим контактом. Такую схему измерения удельного сопротивления можно использовать для анализа омичности контактов, если устанавливать зонд на малых расстояниях в непосредственной близости от контакта и снимать  вольтлинейную характеристику.

Четырехзондовый метод является наиболее распространенным при контроле качества полупроводников. Использование этого метода обусловлено высокими метрологическими показателями, простой конструкцией измерительных средств. С его помощью возможно измерение удельного сопротивления объемных образцов самой разнообразной формы и размеров, а также удельного сопротивления тонких слоев. Условием измерения для данного метода является наличие у образца плоского участка поверхности, линейные размеры которого превосходят линейные размеры зондов. Метод применяется при измерении удельного сопротивления в диапазоне10–4–103 Ом·см.

Трехзондовый метод основан на измерении напряжения пробоя точечного выпрямляющего контакта. Используется он для измерения сопротивления полупроводниковых структур, нанесенных на подложку, имеющую удельное сопротивление, сравнимое с сопротивлением измеряемого материала или меньшее, чем у него. Действие метода ограничивается диапазоном удельных сопротивлений 0,1–10 Ом·см. За пределами этого диапазона резко возрастает погрешность и снижается надежность результатов измерений. Точность измерений достигается выбором материала зонда, формой контактирующей площадки и давлением на нее.

Бесконтактные методы измерения удельного сопротивления относятся к неразрушающим. Наиболее часто применяют индуктивный и емкостной методы.

Для измерения удельного сопротивления индуктивным методом используют катушку индуктивности, по которой пропускают переменный ток, а также регистрирующее устройство, позволяющее определить значение и фазу этого тока. При измерениях в зависимости от типа катушки исследуемый образец либо помещают внутрь катушки, либо катушку прижимают к поверхности исследуемого образца. Метод пригоден для измерения удельного сопротивления в диапазоне от 10–4 до 2 Ом·см.

При емкостном методе измеряют активное сопротивление и емкость. Связь образца с измерительной схемой осуществляется с помощью U-образных или кольцевых контактов, отделенных от образца слоем диэлектрика. Измерения основаны на принципе вариации параметров данного колебательного контура, при этом как и в случае индуктивного метода можно регистрировать функционально связанные с ним величины, например, добротность контура, в состав которого входит конденсатор с образцом. Метод может применяться для измерения сопротивлений от 10–4 до 103 Ом·см.

Методы измерения концентрации и подвижности носителей заряда. Среди множества явлений, связанных с электропереносом, гальваномагнитные зарекомендовали себя как наиболее ценные для определения фундаментальных свойств материалов. Они дают возможность анализировать кинетические процессы, происходящие в ма-
териалах, и широко используются как для исследования свойств электропереноса, так и для стандартного контроля параметров при производстве. К гальваномагнитным явлениям, возникающим при совместном действии на материал электрического и магнитного полей, относят эффект Холла и магниторезистентный эффект.

Эффект Холла. Если через образец, имеющий форму параллелепипеда, пропустить электрический ток, а затем перпендикулярно этому току приложить магнитное поле, то появится поперечный ток.

Для определения концентрации и подвижности носителей заряда необходимо измерить проводимость образца и постоянную Холла. Измерения обычно проводят с помощью зондов: на верхней грани образца размещают два зонда вдоль линий направления тока, а со стороны нижней грани устанавливают третий зонд, встречный одному из верхних. С помощью верхних зондов измеряют проводимость образца по двухзондовому методу, а первый и третий зонды служат для измерения холловской разности потенциалов.

При прохождении через образец переменного тока и использовании постоянного магнитного поля ЭДС Холла измеряют с помощью селективного вольтметра. Для точечных измерений ЭДС Холла необходимо использовать либо точечные контакты, либо образцы специальной геометрической формы, например, гантелеобразные. Для пленочных образцов можно использовать фотолитографию.

Метод геометрического магнитосопротивления применяется для измерения подвижности носителей зарядов в некоторых специальных случаях, когда использование других методов невозможно. Вследствие искривления пути носителей заряда в магнитном поле и отклонения направления их движения от направления продольного электрического тока возникает магниторезистентный эффект. На этом эффекте основан метод измерения подвижности носителей заряда по геометрическому магнитосопротивлению. Сущность эффекта геометрического магнитосопротивления состоит в том, что в центральной части короткого и широкого образца магнитное поле уменьшает удельную проводимость. Метод магнитосопротивления часто используют для определения механизма рассеяния носителей заряда.

1.4. Методы измерения диэлектрических свойств

Диэлектриками являются неионизированные газы, а также жидкости и твердые тела, через которые проникает электрическое поле, но которые плохо проводят электрический ток. Действие электрического поля на диэлектрики сводится к перераспределению электронной плотности в них. Вещества, в которых проникновения электронов
в зону проводимости не происходит, ведут себя как изоляторы.

Диэлектрические измерения – определение диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь – могут применяться в аналитической химии, например, для определения содержания влаги, чистоты соединений, анализа бинарных и других смесей и т. д.

Диэлектрическая проницаемость – величина, характеризующая диэлектрические свойства среды, ее реакцию на электрическое поле.

Относительная диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная) среды (е) – безразмерная величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Она связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды. Относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз взаимодействие между зарядами в однородной среде меньше, чем в вакууме.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость (еa) – величина, показывающая зависимость электрической индукции от напряженности электрического поля (ее0, где е0 – электрическая постоянная, Ф/м).