Разработка лабораторного стенда для количественного термозондового анализа полупроводниковых материалов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №11 (115) июнь-1 2016 г.

Дата публикации: 20.05.2016

Статья просмотрена: 143 раза

Библиографическое описание:

Лепескин Ю. П., Пермяков Н. В. Разработка лабораторного стенда для количественного термозондового анализа полупроводниковых материалов // Молодой ученый. — 2016. — №11. — С. 110-115. — URL https://moluch.ru/archive/115/30434/ (дата обращения: 20.08.2018).



Термозондовый метод традиционно применяется для определения типа проводимости полупроводниковых материалов, как правило, узкозонных.

Из конструктивных особенностей выполнения термозонда с микронным разрешением следует отметить работы Акимова [1], а также разработки Кокошкина [2] по реализации движущего зонда термопары. В 1970–1980-е годы в ЛЭТИ интенсивно развивается количественный термозондовый метод для оценки отклонения от стехиометрии в фазах переменного состава [3, 4]. Физической основой такого анализа являются электрическая активность собственных дефектов. Иными словами, легированные материалы с разным отклонением от стехиометрии имеют разную концентрацию носителей заряда и отличаются коэффициентом термо-ЭДС. Эти вопросы остаются актуальными в настоящее время [5, 6].

Методические особенности разработки количественного термозондового метода включают снятие температурной зависимости термо-ЭДС с регистрацией на планшетном координатном потенциометре с последующей графической дифференциацией зависимости [7]. Кроме того, для количественного анализа была использована методика формирования стандартного образца, представляющего собой шайбу с шестью смонтированными образцами с разным отклонением от стехиометрии и значением коэффициента термо-ЭДС от -300 мкВ/К до +200 мкВ/К, измеренные стандартными методами. Эти эталоны использовались для коррекции термозондовых измерений, значение которых могли незначительно меняться из-за положения клювика термопары относительно контактного острия или из-за режимов керамической микропечи, охватывающей острие.

Из физико-химических задач, решенных с помощью количественного термозондового метода следует отметить исследование неоднородностей на основе теллурида свинца, происходивших в процессе длительной работы термоэлемента [8], изучения особенностей формирования тонких пленок при изменении парциальных давлений легколетучих компонентов [9], исследования диффузионных процессов и процессов кристаллизации узкозонных полупроводников [9, 10], а также возникновение новых фаз в виде микровключений [11, 12].

Количественный термозондовый метод был положен в основу контроля шихты при приготовлении специальных мишеней для получения твердых растворов халькогенидов свинца-халькогенидов олова, для оценки их составов [13], а также для определения состава, соответствующего конгруэнтному плавлению [14, 15].

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам развития мемристоров [16–18]. Основным достоинством «резисторной памяти» является энергонезависимость, устойчивость к радиационному излучению, а также возможность создания нейронных сетей [19, 20].

Среди материалов, применяемых для мемристоров, используются так называемые фазы переменного состава [21], в которых изменение электрофизических свойств от высокоомного до низкоомного происходит путем изменения концентрации электрически активных собственных компонентов и вакансий. К таким материалам относятся оксиды титана, ванадия, меди, тантала, олова и др., а также твердые растворы на их основе.

Существует несколько способов формирования элемента резисторной памяти. Наиболее часто используется способ формирования проводящего канала. В канале имеется высокая концентрация носителей заряда, созданная приложением локального электрического поля. Далее, изменяя полярность происходит разрыв проводимости в канале (положение выключено). Далее для перехода во включенное состояние требуется приложить электрическое поле в направлении, замыкающем канал. Для исследования проводящего канала, тестирования концентрации носителей заряда в локальных областях и анализа переходных процессов от состояние «выключено» — до «включено» актуальна разработка зондовой установки, обеспечивающей решение вышеперечисленных задач.

Целью настоящей работы являлось создание компактной лабораторной установки с блоками, изготовленными с помощью технологий 3D печати [22]. Сущность методик получения информации основана на использовании вышеперечисленных методических разработок по нестационарному термозондовому методу.

Таким образом электрофизические свойства полупроводниковых твердых растворов, в частности на основе халькогенидов свинца — халькогенидов олова, в значительной степени определяются отклонением от стехиометрии. Термозондовый метод является чувствительным к этим отклонениям. Поэтому этот метод может быть применен для оценки электрофизических свойств полупроводников в локальной области (~ 50 мкм).

Перспективность применения метода термозонда для халькогенидов свинца-олова обусловлена и тем, что они обладают высоким значением коэффициента термо-ЭДС и являются низкоомными, т. е. не возникает затруднений при контакте острия зонда с полупроводником. В области собственной концентрации носителей заряда чувствительность метода для электрически активных атомов составляет ~1015 ат./см-3.

При анализе твердых растворов халькогенидов свинца-олова термозондовый метод эффективно дополняет рентгеноспектральный микроанализ (РСМА). РСМА позволяет определять значение состава «х» в локальных областях, а термозондовый метод дает информацию о составе «у», или концентрации электрически активной примеси [23].

В то же время следует заметить, что твердые растворы халькогенидов свинца-олова — узкозонные материалы, и для образцов p-типа с низкой концентрацией дырок с изменением температуры может происходить смена знака коэффициента термо-ЭДС. Другими словами, одному и тому же значению коэффициента термо-ЭДС могут соответствовать разные значения концентрации носителей заряда для образца с фиксированным х. Эта неоднозначность характеристики снимается с помощью нестационарного термозондового метода. В разработанном стенде расчет коэффициента термо-ЭДС проводиться компьютерным путем (В базовой методике осуществлялось графическое дифференцирование температурной зависимости термо-ЭДС).

Из электрофизических параметров наибольший интерес представляет определение значения концентрации носителей заряда. При использовании результатов термозондового метода для количественных оценок, как правило, проводят построение калибровочных зависимостей термозондового коэффициента термо-ЭДС α от концентрации носителей заряда р- или n-типа для фиксированного значения состава «х».

Возможность экспериментальной оценки коэффициента термо-ЭДС, нахождения из этих данных интеграла Ферми предопределяет перспективность создания программного обеспечения для нахождения значений других кинетических коэффициентов посредством промежуточного расчета положения уровня Ферми с учетом параметров зонной структуры.

В простейшем приближении связывающими уравнениями являются:

Концентрация электронов:

(1)

(2)

где эффективная масса плотности состояний электронов; — приведенный уровень Ферми; — постоянная Планка; — постоянная Больцмана.

Концентрация дырок:

(3)

(4)

где – эффективная масса плотности состояний дырок.

Интеграл Ферми:

(5)

где – фактор рассеяния.

Коэффициент термо-ЭДС для электронов и дырок:

(6)

где – заряд электрона.

В случае смешанной проводимости:

(7)

где – подвижности дырок и электронов.

При учете непараболичности зон в приближении Кейна система базовых уравнений усложняется, интегралы Ферми становятся двухпараметрическими при сохранении принципов расчета [24].

Разработка стенда для измерения термо-ЭДС.

Нами была разработана установка термозондового анализа. Преимущество установки, разработанной в ходе данной работы, заключается в автоматизации измерений в ЭВМ с помощью микроконтроллера и программного обеспечения в среде LabVIEW.

На рисунке 1 изображена блок-схема установки. В качестве термозонда была использована игла. Термозонд закреплен к нагревательному блоку, в котором расположены нагреватель и терморезистор (Epcos B57560G номиналом 100 кОм). Использован мультиметр TektronixDMM4020.

С помощью микроконтроллера Arduino задается температура нагревателя, который питается отдельным блоком питания постоянного напряжения 12В. Терморезистор необходим для измерения и поддержания заданной температуры нагревателя. Сопротивление терморезистора измеряется микроконтроллером с помощью схемы делителя напряжения, реализованной на печатной плате. Значение этого сопротивления переводится микроконтроллером с помощью заданной программы в значение температуры.

Рис. 1. Блок-схема установки

После нагрева острия термозонда производятся измерения напряжения на образце между горячим и холодными контактами. Значение напряжения передается на микроконтроллер. В данной схеме необходим программный пакет LabVIEW, который осуществляет связь микроконтроллера с компьютером. На рисунке 2 представлен внешний вид лабораторной установки.

C:\Users\Юрий\Desktop\Новая папка (3)\IMG_20150611_221731.jpg

Рис. 2. Внешний вид установки

Кроме управления измерением созданный виртуальный прибор в LabVIEW также позволяет строить зависимость коэффициента термо-ЭДС от концентрации носителей заряда. Алгоритм расчета по различным моделям зонной структуры A4B6 основан на известных зависимостях (1–7) или более сложных связей [24], связывающих положение уровня Ферми со значениями параметров полупроводниковых материалов. На рисунке 3 изображен график зависимости коэффициента термо-ЭДС от концентрации носителей заряда, построенный с помощью виртуального прибора.

C:\Users\Юрий\Desktop\1.bmp

Рис. 3. Зависимость коэффициента термо-ЭДС от концентрации носителей заряда

В результате исследований был разработан лабораторный стенд термозондового анализа. Был изготовлен термозонд. Создана плата расширения для микроконтроллера Arduino, которая считывает температуру терморезистора, управляет нагревателем. Написано программное обеспечение в среде LabVIEW, которое позволяет автоматизировать измерения, рассчитывать зависимости термо-ЭДС от концентрации носителей, сохранять результаты в текстовый файл и строить графики.

Работа выполнялась в рамках проекта RFMEFI58414X0005, финансируемого Минобрнауки РФ.

Литература:

  1. Акимов Г. В. Метод микротермоЭДС // Докл. АН СССР — 1946. — Т. 51. — № 3. –С. 205–208.
  2. Кокошкин В. А. Исследование однородности высоколегированных полупроводников с помощью нагретого зонда-термопары // Заводская лаборатория. — 1965. — т. 31. — № 4. — С. 461–462.
  3. Мошников В. А. О возможности применения термозондового метода для фазового анализа и исследования однородности твердых растворов Pb1-xSnxTe // Известия ЛЭТИ. — 1977. — № 211. — С. 129–131.
  4. Дедегкаев Т. Т. и др. Проверка зонда-термопары в рабочих условиях // Заводская лаборатория. — 1978. — т. 44. — № 10. — С. 1229–1230.
  5. Мошников В. А., Александрова О. А. Физическая химия дефектов нестехиометрических полупроводников: 1. Модели дефектности кристаллов в современном материаловедении // В сборнике: Труды VII Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Диагностика наноматериалов и наноструктур». РГРУ. — 2014. — С. 70–98.
  6. Мошников В. А., Александрова О. А. Физическая химия дефектов нестехиометрических полупроводников: 2. Локальный метод анализа отклонения от стехиометрии. Анализ диффузионных процессов собственных дефектов в процессе эпитаксии // В сборнике: Труды VII Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Диагностика наноматериалов и наноструктур». РГРУ. — 2014. — С. 99–133.
  7. Мошников В. А. Локальные энергетические воздействия в исследовании и получении полупроводниковых твердых растворов //Известия СПбГЭТУ. — СПб, 1996. –№ 496. — С. 11–33.
  8. Дедегкаев Т. Т. и др. Исследование неоднородностей в твердых растворах на основе теллурида свинца //Известия ЛЭТИ. — 1979. — № 250. — С. 103–110.
  9. Дедегкаев Т. Т. и др. Влияния давления пара теллура на состав пленок Pb1-xSnxTe // Неорганические материалы. — 1985. — Т. 21. — № 6. — С. 1054–1056.
  10. Бакин А. С. и др. Исследование диффузии индия в твердом растворе Pb1-xSnxTe // Известия ЛЭТИ. — 1982. — № 302. — С. 77–80.
  11. Мошников В. А. и др. Исследование процессов кристаллизации твердых растворов (Pb1-xSnx)1-yTey// Известия ЛЭТИ. — 1981. — № 281. — С. 116–121.
  12. Assenov R., Moshnikov V. A., Yaskov D. A. On the behavior of iodine in PbTe and SnTe // Physica Status Solidi. A: ApplicationsandMaterialsScience. — 1985. – T. 88. — № 281. — С. 116–121.
  13. Пат. RU 2155830. Способ изготовления шихты для получения твердых растворов халькогенидов свинца и олова парофазными методами / Бестаев М. В., Мошников В. А. и др. Опубл. 09.07.1997.
  14. Измайлов Н. В. и др. Определение состава селенида свинца, соответствующего максимальной температуре плавления // Неорганические материалы. — 1989. — Т. 25. — № 3. — С. 515–517.
  15. Измайлов Н. В. и др. Изучение однородности твердых растворов (Pb0.9Sn0.1)1-ySey// Журнал физической химии. — 1988. — Т. 62. — № 5. — С. 1370–1373.
  16. Chua, L. Resistance switching memories are memristors / L. Chua // Applied Physics A. — 2011. –Vol. 102. — №. 4. — P. 765–783.
  17. Memristors: Nanoscale Resistive Switching in Amorphous Perovskite Oxide (a‐SrTiO3) Memristors / H. Nili et al. //Advanced Functional Materials. — 2014. — Vol. 24. — №. 43. — P. 6733–6733.
  18. Gale, E. TiO2-based memristors and ReRAM: materials, mechanisms and models (a review) / E. Gale //Semiconductor Science and Technology. — 2014. – Vol. 29. — №. 10. — P. 104–110.
  19. Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors / M. Prezioso et al. //Nature. — 2015. — Vol. 521. — №. 7550. — P. 61–64.
  20. Permiakov N., Ivanov A., Moshnikov V. The laboratory facility and testing methods memristor structures // В сборнике: 2015 International Conference «Stability and Control Processes» in Memory of V. I. Zubov (SCP). — 2015. – P. 187–189.
  21. Ормонт Б. Ф. Соединения переменного состава [Текст] // Б. Ф. Ормонт. — Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1969. — 48 с.
  22. Матюшкин Л. Б., Пермяков Н. В. Применение технологии 3d-печати в обеспечении профессионально ориентированной подготовки кадров в интересах наноиндустрии // Биотехносфера. — 2013. — № 3(27). — С. 38–47.
  23. Александрова О. А., Максимов А. И., Мошников В. А., Чеснокова Д. Б. Халькогениды и оксиды элементовIV группы. Получение, исследование, применение / Под ред. Мошникова В. А. // СПб.: Изд-во «Технолит», 2008. 240 с.
  24. Горелик А. И., Межва М., Мошников В. А. Количественный термозондовый анализ твердых растворов теллурида свинца-теллурида олова // Известия СПбГЭТУ. — 1994. — № 471. — С. 26–33.
Основные термины (генерируются автоматически): термозондовый метод, концентрация носителей заряда, количественный термозондовый метод, интеграл Ферми, программное обеспечение, переменный состав, нестационарный термозондовый метод, зонная структура, термозондовый анализ, температурная зависимость.


Похожие статьи

Исследование полупроводниковых материалов методом...

Одним из мощных методов СЗМ является метод отображения сопротивления растекания, позволяющий выявить однородность по распределению

Разработка лабораторного стенда для количественного термозондового анализа полупроводниковых материалов.

Научные основы определения рН консервов для разработки...

Причём, как указано в справочнике [8, с. 8], температурная зависимость коэффициента активности раствора нелинейно увеличивается с увеличением концентрации раствора и не может быть компенсирована.

Метод определения рН. Бейтс, Р. Определение pH.

Устранение гальванических искажении при обработке данных...

Анализ этих кривых позволяет оценить наличие искажений, обусловленных горизонтальной неоднородностью разреза.

Об одном методе решения задачи нестационарной теплопроводности шара с разрывными граничными условиями.

Жидкофазная эпитаксия твердых растворов (Ge2) 1-x(InP)...

Далее исследованием косых шлифов полученных структур методами сопротивления растекания и термозондом показали, что

Пленка оказались дырочного типа с концентрацией носителей и Холловской подвижностью при 3000 К. Ширина запрещенной зоны твердого...

Методы модификации зондов для атомно-силовой микроскопии...

В данной статье рассматриваются методы использования углеродных нанотрубок для модификации зондов атомно-силовой микроскопии. Общие вопросы теории и практики сканирующей зондовой микроскопии в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» рассматриваются в нескольких курсах...

Количественные параметры сорбции замедлителей горения...

Применением метода математического моделирования определены параметры модификации волокна

Период времени, в течение которого наблюдается достижение сорбционного равновесия, находится в непосредственной зависимости от концентрации ЗГ в ванне.

Численное моделирование диффузии взаимодействующих ионов...

Для того чтобы решить систему уравнений (1) методом конечных разностей, введем относительные переменные.

Диффузия взаимодействующих ионов фосфора и бора в структуре SiC/Si: закономерности распределения примесей в зависимости от времени отжига.

Модификация клеевых композиций наносоединениями углерода...

техуглерода (фуллереновая сажа). Анализ полученных СЗМ изображений показал, что частицы наноразмерного типа влияют на поверхностную структуру

Похожие статьи. Проектирование состава композиций лекарственных растений методом математического моделирования.

Исследование полупроводниковых материалов методом...

Одним из мощных методов СЗМ является метод отображения сопротивления растекания, позволяющий выявить однородность по распределению

Разработка лабораторного стенда для количественного термозондового анализа полупроводниковых материалов.

Научные основы определения рН консервов для разработки...

Причём, как указано в справочнике [8, с. 8], температурная зависимость коэффициента активности раствора нелинейно увеличивается с увеличением концентрации раствора и не может быть компенсирована.

Метод определения рН. Бейтс, Р. Определение pH.

Устранение гальванических искажении при обработке данных...

Анализ этих кривых позволяет оценить наличие искажений, обусловленных горизонтальной неоднородностью разреза.

Об одном методе решения задачи нестационарной теплопроводности шара с разрывными граничными условиями.

Жидкофазная эпитаксия твердых растворов (Ge2) 1-x(InP)...

Далее исследованием косых шлифов полученных структур методами сопротивления растекания и термозондом показали, что

Пленка оказались дырочного типа с концентрацией носителей и Холловской подвижностью при 3000 К. Ширина запрещенной зоны твердого...

Методы модификации зондов для атомно-силовой микроскопии...

В данной статье рассматриваются методы использования углеродных нанотрубок для модификации зондов атомно-силовой микроскопии. Общие вопросы теории и практики сканирующей зондовой микроскопии в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» рассматриваются в нескольких курсах...

Количественные параметры сорбции замедлителей горения...

Применением метода математического моделирования определены параметры модификации волокна

Период времени, в течение которого наблюдается достижение сорбционного равновесия, находится в непосредственной зависимости от концентрации ЗГ в ванне.

Численное моделирование диффузии взаимодействующих ионов...

Для того чтобы решить систему уравнений (1) методом конечных разностей, введем относительные переменные.

Диффузия взаимодействующих ионов фосфора и бора в структуре SiC/Si: закономерности распределения примесей в зависимости от времени отжига.

Модификация клеевых композиций наносоединениями углерода...

техуглерода (фуллереновая сажа). Анализ полученных СЗМ изображений показал, что частицы наноразмерного типа влияют на поверхностную структуру

Похожие статьи. Проектирование состава композиций лекарственных растений методом математического моделирования.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Исследование полупроводниковых материалов методом...

Одним из мощных методов СЗМ является метод отображения сопротивления растекания, позволяющий выявить однородность по распределению

Разработка лабораторного стенда для количественного термозондового анализа полупроводниковых материалов.

Научные основы определения рН консервов для разработки...

Причём, как указано в справочнике [8, с. 8], температурная зависимость коэффициента активности раствора нелинейно увеличивается с увеличением концентрации раствора и не может быть компенсирована.

Метод определения рН. Бейтс, Р. Определение pH.

Устранение гальванических искажении при обработке данных...

Анализ этих кривых позволяет оценить наличие искажений, обусловленных горизонтальной неоднородностью разреза.

Об одном методе решения задачи нестационарной теплопроводности шара с разрывными граничными условиями.

Жидкофазная эпитаксия твердых растворов (Ge2) 1-x(InP)...

Далее исследованием косых шлифов полученных структур методами сопротивления растекания и термозондом показали, что

Пленка оказались дырочного типа с концентрацией носителей и Холловской подвижностью при 3000 К. Ширина запрещенной зоны твердого...

Методы модификации зондов для атомно-силовой микроскопии...

В данной статье рассматриваются методы использования углеродных нанотрубок для модификации зондов атомно-силовой микроскопии. Общие вопросы теории и практики сканирующей зондовой микроскопии в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» рассматриваются в нескольких курсах...

Количественные параметры сорбции замедлителей горения...

Применением метода математического моделирования определены параметры модификации волокна

Период времени, в течение которого наблюдается достижение сорбционного равновесия, находится в непосредственной зависимости от концентрации ЗГ в ванне.

Численное моделирование диффузии взаимодействующих ионов...

Для того чтобы решить систему уравнений (1) методом конечных разностей, введем относительные переменные.

Диффузия взаимодействующих ионов фосфора и бора в структуре SiC/Si: закономерности распределения примесей в зависимости от времени отжига.

Модификация клеевых композиций наносоединениями углерода...

техуглерода (фуллереновая сажа). Анализ полученных СЗМ изображений показал, что частицы наноразмерного типа влияют на поверхностную структуру

Похожие статьи. Проектирование состава композиций лекарственных растений методом математического моделирования.

Исследование полупроводниковых материалов методом...

Одним из мощных методов СЗМ является метод отображения сопротивления растекания, позволяющий выявить однородность по распределению

Разработка лабораторного стенда для количественного термозондового анализа полупроводниковых материалов.

Научные основы определения рН консервов для разработки...

Причём, как указано в справочнике [8, с. 8], температурная зависимость коэффициента активности раствора нелинейно увеличивается с увеличением концентрации раствора и не может быть компенсирована.

Метод определения рН. Бейтс, Р. Определение pH.

Устранение гальванических искажении при обработке данных...

Анализ этих кривых позволяет оценить наличие искажений, обусловленных горизонтальной неоднородностью разреза.

Об одном методе решения задачи нестационарной теплопроводности шара с разрывными граничными условиями.

Жидкофазная эпитаксия твердых растворов (Ge2) 1-x(InP)...

Далее исследованием косых шлифов полученных структур методами сопротивления растекания и термозондом показали, что

Пленка оказались дырочного типа с концентрацией носителей и Холловской подвижностью при 3000 К. Ширина запрещенной зоны твердого...

Методы модификации зондов для атомно-силовой микроскопии...

В данной статье рассматриваются методы использования углеродных нанотрубок для модификации зондов атомно-силовой микроскопии. Общие вопросы теории и практики сканирующей зондовой микроскопии в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» рассматриваются в нескольких курсах...

Количественные параметры сорбции замедлителей горения...

Применением метода математического моделирования определены параметры модификации волокна

Период времени, в течение которого наблюдается достижение сорбционного равновесия, находится в непосредственной зависимости от концентрации ЗГ в ванне.

Численное моделирование диффузии взаимодействующих ионов...

Для того чтобы решить систему уравнений (1) методом конечных разностей, введем относительные переменные.

Диффузия взаимодействующих ионов фосфора и бора в структуре SiC/Si: закономерности распределения примесей в зависимости от времени отжига.

Модификация клеевых композиций наносоединениями углерода...

техуглерода (фуллереновая сажа). Анализ полученных СЗМ изображений показал, что частицы наноразмерного типа влияют на поверхностную структуру

Похожие статьи. Проектирование состава композиций лекарственных растений методом математического моделирования.

Задать вопрос