Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634655)
Контекстум
.

Методы исследования материалов и структур (190,00 руб.)

0   0
АвторыСитанов Д.В.
ИздательствоИвановский государственный химико-технологический университет
Страниц85
ID142077
АннотацияЛабораторный практикум содержит описание и порядок выполнения пяти базовых лабораторных работ по курму Методы исследований материалов и структур, входит в комплект базовых учебных пособий по данному курсу, читаемому студентам специальности 210100 Микроэлектроника и твердотельная электроника и посвящен изучению методов исследования электрофизических параметров, структуры, состава материалов и структур микроэлектроники. Каждое описание лабораторной работы содержит подробное теоретическое введение, описание лабораторного оборудования, порядок выполнения работы, лабораторное задание и перечень вопросов для самоподготовки.
Методы исследования материалов и структур : Практикум / Д.В. Ситанов .— Иваново : Ивановский государственный химико-технологический университет, 2009 .— 85 с. — Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники .— URL: https://rucont.ru/efd/142077 (дата обращения: 23.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Изучение профиля распределения концентрации свободных носителей зарядов по толщине полупроводника вольт-фарадным методом ......................................... 52 Лабораторная работа 4. <...> С содержанием и планом прохождения практикума, требованиями к выполнению работ, ведению лабораторного журнала и оформлению отчетов студенты знакомятся на первом вводном занятии. <...> В лабораторный журнал в процессе подготовки к работе заносится следующее: • название лабораторной задачи; • цель работы; • в нескольких фразах необходимо сформулировать идею метода измерений; • привести основные расчетные формулы; • изобразить схему экспериментальной установки с указанием основных элементов; • привести перечень измеряемых в ходе работы величин, их обозначения и размерности. <...> В процессе выполнения работы необходимо: • ознакомиться с экспериментальной установкой, правилами эксплуатации конкретных измерительных приборов; • указать на схеме в лабораторном журнале марки используемых измерительных приборов; • составить план проведения измерений и согласовать его с преподавателем; • подготовить в лабораторном журнале таблицы для записи результатов измерений; • выполнить все запланированные измерения, включая опыты, направленные на проверку воспроизводимости результатов. <...> При этом результаты измерений заносятся в лабораторный журнал без каких-либо преобразований и расчетов; • произвести обработку результатов; построить графики (если это необходимо); предъявить результаты измерений и расчетов преподавателю. <...> После проверки отчета преподавателем студент сдает коллоквиум по выполненной работе, на котором обсуждаются как теоретические вопросы, так и процедуры измерений и обработки результатов, анализируются источники погрешностей. <...> 5 ЛАБО РАТОРНАЯ РАБО ТА № 1 ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 4-Х ЗОНДОВОЙ МЕТОДИКИ. <...> ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ <...>
Методы_исследования_материалов_и_структур.pdf
Стр.1
Стр.2
Стр.3
Стр.4
Стр.5
Стр.6
Стр.7
Стр.8
Стр.9
Стр.10
Методы_исследования_материалов_и_структур.pdf
Стр.1
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет Д. А. ШУТОВ, Д. В. СИТАНОВ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР Лабораторный практикум Иваново 2009 1
Стр.2
УДК 621.382 Шутов Д.А. Методы исследований материалов и структур: лабораторный практикум /Д.А. Шутов, Д.В. Ситанов; Иван. гос. хим.–технол. ун-т. – Иваново, 2009. - 84 с. Лабораторный практикум содержит описание и порядок выполнения пяти базовых лабораторных работ по курсу «Методы исследований материалов и структур», входит в комплект базовых учебных пособий по данному курсу, читаемому студентам специальности 210100 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» и посвящен изучению методов исследования электрофизических параметров, структуры, состава материалов и структур микроэлектроники. Каждое описание лабораторной работы содержит подробное теоретическое введение, описание лабораторного оборудования, порядок выполнения работы, лабораторное задание и перечень вопросов для самоподготовки. Авторы благодарны кафедре технологии приборов и материалов электронной техники за часть графического материала и теоретических выкладок. Отдельная благодарность доц. Титову В.А. и ст. пр. Иванову А.Н. за разработку лабораторных стендов к работам №№ 4 и 5, соответственно. Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУ ВПО Ивановского государственного химико-технологического университета Рецензенты: кафедра математики, экономической информатики и вычислительной техники Ивановского филиала Российского государственного торгово-экономического университета; кандидат химических наук В.В. Васильев государственная текстильная академия) © Шутов Д.А., Ситанов Д.В. © Ивановский государственный химико-технологический университет, 2009 2 (Ивановская
Стр.3
СОДЕРЖАНИЕ Порядок прохождения практикума.........................................................4 Требования к отчету по работе ...............................................................5 Лабораторная работа 1. Измерение удельного сопротивления полупроводниковых материалов и структур с использованием 4-х зондовой методики. Определение типа проводимости полупроводников по знаку термоЭДС с использованием термозонда....................................................................6 Лабораторная работа 2. Определение концентрации и знака основных носителей заряда в полупроводнике с использованием эффекта Холла............................................................ 41 Лабораторная работа 3. Изучение профиля распределения концентрации свободных носителей зарядов по толщине полупроводника вольт-фарадным методом ......................................... 52 Лабораторная работа 4. Исследование диэлектрических характеристик материалов .................................................................... 64 Лабораторная работа 5. Определение времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда ............................... 74 Список литературы................................................................................ 83 3
Стр.4
Порядок прохождения практикума Лабораторный практикум выполняется в соответствии с графиком и календарным планом, которые составляются на каждый учебный год. С содержанием и планом прохождения практикума, требованиями к выполнению работ, ведению лабораторного журнала и оформлению отчетов студенты знакомятся на первом вводном занятии. На этом же занятии проводится инструктаж по технике безопасности при работе в лаборатории и выдаются задания на выполнение первой лабораторной работы. Лабораторные работы выполняются либо индивидуально, либо бригадами в составе не более двух студентов. Необходимая для выполнения работы информация, схемы установок, результаты измерений и их предварительной обработки заносятся в индивидуальный лабораторный журнал, который ведется каждым студентом независимо от его вхождения в бригады в отдельной тетради. По окончании каждой лабораторной работы журнал подписывается преподавателем. В конце каждого занятия студент должен получить индивидуальное задание для подготовки к очередной лабораторной работе. себя: • изучение Подготовка к выполнению лабораторной работы включает в теоретического материала по краткому теоретическому введению, конспектам лекций и учебной литературе, указанной в конце практикума; • уяснение идеи метода измерений и принципов работы лабораторной установки; • уяснение всех измеряемых в процессе работы величин, а также процедур их дальнейшей обработки для достижения конечной цели работы. В лабораторный журнал в процессе подготовки к работе заносится следующее: • название лабораторной задачи; • цель работы; • в нескольких фразах необходимо сформулировать идею метода измерений; • привести основные расчетные формулы; • изобразить схему экспериментальной установки с указанием основных элементов; • привести перечень измеряемых в ходе работы величин, их обозначения и размерности. 4
Стр.5
Перед каждой работой студент проходит краткое собеседование с преподавателем для выяснения уровня готовности к выполнению работы. Результаты собеседования учитываются при выставлении оценки за выполнение работы. В процессе выполнения работы необходимо: • ознакомиться с экспериментальной установкой, правилами эксплуатации конкретных измерительных приборов; • указать на схеме в лабораторном журнале марки используемых измерительных приборов; • составить план проведения измерений и согласовать его с преподавателем; • подготовить в лабораторном журнале таблицы для записи результатов измерений; • выполнить все запланированные измерения, включая опыты, направленные на проверку воспроизводимости результатов. При этом результаты измерений заносятся в лабораторный журнал без каких-либо преобразований и расчетов; • произвести обработку результатов; построить графики (если это необходимо); предъявить результаты измерений и расчетов преподавателю. Все расчеты заносятся в лабораторный журнал. Требования к отчету по работе Отчет по работе предоставляется на следующем после выполнения данной лабораторной работы занятии. Он оформляется не в лабораторном журнале, а на отдельных листах. Отчет должен включать в себя название работы; ее цель; краткое теоретическое введение; схему экспериментальной установки с указанием типов измерительных приборов; первичные результаты измерений в виде таблиц; графики, отражающие полученные зависимости; результаты обработки первичных данных и примеры вычислений; выводы; список использованной литературы. Полученные в работе результаты следует сравнить с данными, представленными в приложениях к работе или в соответствующих справочниках. Каждый отчет должен быть подписан автором. После проверки отчета преподавателем студент сдает коллоквиум по выполненной работе, на котором обсуждаются как теоретические вопросы, так и процедуры измерений и обработки результатов, анализируются источники погрешностей. За отчет по работе и за коллоквиум выставляются отдельные оценки. 5
Стр.6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 4-Х ЗОНДОВОЙ МЕТОДИКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПО ЗНАКУ ТЕРМОЭДС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЗОНДА Цели работы: 1. Изучить теоретические основы зондовых методов для определения величины удельного сопротивления полупроводниковых материалов и структур. 2. Более подробно ознакомиться с четырехзондовой методикой измерения величины удельного сопротивления полупроводниковых образцов. 3. Определить удельное сопротивление исследуемого образца с использованием четырехзондовой методики. Теоретическое введение В технологии микроэлектроники для определения величины удельного сопротивления полупроводниковых материалов и структур широкое распространение получили зондовые методы. Их преимущественное применение обусловлено: − высокими метрологическими показателями; − простотой конструкции измерительных средств; − возможностью проведения измерений удельного сопротивления объемных монокристаллов, полупроводниковых пластин, а также полупроводниковых слоев, в том числе, диффузионных, ионноимплантированных и эпитаксиальных. Зондовые методы применяются для измерения удельного сопротивления монокристаллов и пластин в диапазоне 10-4–5.103 Ом.см, эпитаксиальных и диффузионных слоев в диапазоне поверхностного сопротивления 1–5.105 Ом. 1. Четырехзондовый метод Четырехзондовый метод основан на явлении растекания тока в точке контакта металлического острия зонда с полупроводником. На поверхности образца, чаще всего вдоль одной линии размещаются четыре зонда (рис. 1). Через одну пару контактов (чаще всего это крайние зонды 1, 4) пропускают ток I, а между двумя другими контактами (внутренними зондами 2, 3) измеряют разность потенциалов U. 6
Стр.7
В общем случае расположение зондов на поверхности образца может быть произвольным, однако существуют некоторые общие рекомендации, согласно которым удобно располагать зонды либо в линию на одиноком расстоянии друг от друга, либо по вершинам квадрата. Причем желательно располагать зонды от торцов образца на расстоянии не менее пятикратного расстояния между зондами. I 1 2 U 3 s1 s2 s3 l h d а) d б) Рис.1. Схемы расположения зондов при реализации черырехзондовой методики: а - расположение зондов 1-4 в линию, б - расположение зондов 1-4 по вершинам квадрата. 1.1 Объемные монокристаллы К объемным монокристаллам чаще всего относят полупроводниковые слитки, а в общем случае образцы для которых характерны следующие соотношения геометрических размеров по отношению к расстоянию между зондами: d, l, h >> s1, s2, s3 (рис. 1). Растекание тока в полупроводнике в данном случае будет иметь сферическую симметрию. Определим значение электрического потенциала в точке соприкосновения зонда с полупроводниковой пластиной, выразив его через величину удельного сопротивления материала ρ. Итак, E= dϕ/dх = J.ρ, где E – напряженность электрического поля; ϕ - электрический потенциал; x – пространственная координата; J – плотность тока; ρ - удельное сопротивление. При этом плотность сферически распространяющегося тока в полупроводнике будет равна: 7 (1) s s 4 I I 1 I 2 U 3 4
Стр.8
То есть, J = I / 1/2 Sсферы = I / 2πr2. dϕ /dr = - Iρ / 2πr2. (2) (3) Знак минус в уравнении (3) свидетельствует об уменьшении потенциала при продвижении в глубь полупроводника. Стоит отметить, что потенциал на поверхности полупроводника может быть найден путем интегрирования выражения (3): ϕ = ∫ − r0 r 1 ( 2πx2 )dx = Iρ 2 r A, + I π ρ (4) здесь в постоянную «А» кроме всех прочих постоянных вошла величина r0, как начальная координата, соответствующая поверхности полупроводника. Потенциалы в точках контакта внутренних (потенциальных) зондов с полупроводником вычисляются сложением потенциалов от обоих токовых зондов с учетом их знака, определяемого направлением тока (см. рис. 1): ϕ = 2 (Iρ π/2 )1/ 1 1/( 2 3) + s − [ ϕ3 = I( ρ π [ зондами U будет равна: U ϕ ϕ3 2 2 − s + s ] А, (5) / 2 )1/(s1 + s ) 1/ s ] А. 3 + Таким образом, разность потенциалов между внутренними = − = I( ρ π [ / 2 )1/ s1 −1/(s2 + + формула четырехзондового метода: ρ = ρ = π 2 s3 ) 1/ s3 −1/(s1 + s2 )]. U 1/ s1 −1/(s2 + + / s3) 1/ s3 −1/(s1 + s2) I = i * / . (6) Из выражения (6) напрямую следует основная расчетная 2π (7) обеспечивают условие s1=s2=s3=s, и формула метода упрощается: sU I F sU I На практике межзондовые расстояния делают равными, то есть (8) принимать разные значения. В таблице 1 приведены поправочные коэффициенты Fi использовать различные пары зондов, при этом множитель Fi * для всех возможных комбинаций включения Для пропускания тока и измерения напряжения можно * будет токовых и потенциальных зондов, располагаемых в линию. Из таблицы 1 видно, что предпочтительными являются первые две схемы включений, так как они обеспечивают наибольшее регистрируемое напряжение. 8
Стр.9
В ряде случаев, когда необходимо проводить измерения на образцах малого размера, используют более компактную схему размещения зондов по вершинам квадрата со стороной s (см. рис. 1,б). Ток пропускают через зонды, образующие одну из сторон квадрата, например 1 и 2, а разность потенциалов измеряют на другой паре зондов 3 и 4. Значения поправочных коэффициентов Fi Зонды токовые 1-4 2-3 1-3 2-4 1-2 3-4 потенциальные 2-3 1-4 2-4 1-3 3-4 1-2 полубесконечных образцах вычисляют по формуле: I ρ = (2πs /(2 − 2)) . * Таблица 1 Коэффициент Fi 2π 2π 3π 3π 6π 6π Удельное сопротивление в этом случае при измерении на U (9) Приведенные выше формулы четырехзондового метода справедливы только для массивного (полубесконечного) образца. На практике измеряемые образцы имеют конечные геометрические размеры. Если удаленность зондов от границ образца становится соизмеримой с межзондовым расстоянием, то измеренное удельное сопротивление образца будет содержать ошибку. В общем случае для вычисления истинного значения удельного сопротивления в формулы четырехзондового метода следует вводить 1.2. Полупроводниковые пластины Если толщина образца мала по сравнению с межзондовым расстоянием, т. е. d<> s, то растекание тока в полупроводнике имеет цилиндрическую симметрию, и выражение для плотности тока запишеся следующим образом: J = I / Sцилиндра = I / 2πrd, 9 (10) поправочные коэффициенты, учитывающие геометрические размеры образца (см. раздел “Погрешности четырехзондовых методов”). *
Стр.10

Облако ключевых слов *


* - вычисляется автоматически
.