УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ФЛУКТУАЦИИ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1994 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации шумов, возникающих в контактах металл - полупроводник спонтанно или под действием неконтролируемых факторов внешней среды.

Исследование шумов, возникающих в различных твердотельных элементах радиоэлектроники, имеет большой практический интерес: с одной стороны, эти шумы (обычно имеющие характер неравновесных флуктуаций со спектром типа 1/f) представляют собой помехи, с которыми приходится бороться различными методами, а с другой стороны, они могут служить индикаторами необратимых процессов старения радиоэлектронных устройств [1] .

Во всех известных устройствах, используемых для регистрации шумов в твердотельных элементах радиоэлектроники, непременно присутствует внешний источник тока. В результате оказывается невозможным установить, служит ли источником шума сам твердотельный элемент, или же шум возникает в этом элементе под действием тока, т. е. в результате самого измерения.

При работе с различными фотоприемниками регистрируемые шумы обусловлены воздействием некоторых неконтролируемых факторов внешней среды, например электромагнитных полей космофизического происхождения [2] . Предполагается, что непосредственной причиной возникновения флуктуаций фототока служат малые изменения работы выхода электронов; однако и в этом случае невозможно установить, служит ли источником шума сам фотоприемник, или же шум со спектром типа 1/f возникает в результате прохождения через фотоприемник тока, подаваемого извне. Сказанное относится ко всем фотоприемникам, в том числе и любым фотодиодам, в которых рабочее тело (полупроводник) контактирует с двумя металлическими электродами [3] .

Цель изобретения заключается в том, чтобы из устройства для регистрации флуктуаций работы выхода электронов исключить помехи, способные возникать в измерительной цепи из-за наличия самостоятельного источника питания.

Цель достигается за счет того, что устройство для регистрации флуктуаций работы выхода электронов (фиг. 1) содержит полупроводник 1, на поверхность которого нанесены слои двух различных металлов 2 и 3, включенных в цепь измерения тока без дополнительного источника питания. Металлы создают в полупроводнике два противоположно ориентированных контактных слоя 4 различной толщины (l₁ ≠ l₂) и проводимости, определяемые соотношением работы выхода электронов из полупроводника и металлов (А₁, А₂ и А₃ соответственно, причем А₂ ≠ А₃). При изменении работы выхода А₁ в системе происходит перераспределение носителей заряда, в результате чего в измерительной цепи возникает ток, флуктуации которого непосредственно отражают флуктуации работы выхода электронов А₁; если же работа выхода не меняется, ток в измерительной цепи не возникает или остается постоянным.

П р и м е р. На противоположные поверхности пластины (площадь ≈ 5 см², толщина ≈200 мкм), вырезанной из полупроводника n-типа, изготовленного на основе фосфида галлия, термическим напылением в вакууме были нанесены слои бериллия (А₂ ≈ 3,9 эВ) и серебра (А₃ ≈ 4,3 эВ) толщиной ≈10 мкм каждый; для измерения тока устройство было помещено между двумя плоскими посеребренными медными контактами, исключающими доступ света к полупроводнику, и включено в цепь электрометрического вольтметра В7-45 (диапазон измерений тока - от 10^-7до 10^-17 А), соединенного с самописцем через имеющийся аналоговый выход. При замыкании измерительной цепи в ней возникли затухающие гармонические колебания тока с начальной амплитудой порядка 10^-9A и периодом τ≈10-40 с, величина которого зависела от RC-характеристик цепи (типа и толщины полупроводника). После затухания гармонических колебаний ток выходил на плато Ф, где и наблюдались незатухающие флуктуации типа 1/f с амплитудой порядка 10^-10-10^-11 А, фрагмент записи которых приведен на фиг. 3.

Если на участке Ф (фиг. 2) на полупроводниковый элемент воздействовали импульсным магнитным полем (постоянный магнит с напряженностью поля ≈100 Э быстро проносился над измерительной ячейкой), в цепи вновь возникали затухающие гармонические колебания индуцированного тока с тем же периодом τ и временем затухания колебаний, как и после замыкания цепи; затем с выходом тока на плато флуктуации типа 1/f возникали вновь. Подобный эффект не наблюдался, если в измерительную цепь вместо полупроводникового устройства было включено эквивалентное пассивное сопротивление (резистор с R ≈ 100 МОм). При непосредственном контакте двух различных металлов или их контакте через эквивалентное пассивное сопротивление, а также контакте полупроводника с двумя одинаковыми электродами указанных эффектов не наблюдалось. (56) 1. Коган Ш. М. Низкочастотный токовый шум по спектром типа 1/f в твердых телах. "Успехи физических наук", 1985, т. 145, вып. 2, с. 285-328.

2. Владимирский Б. М. Макроскопические флуктуации, солнечно-земные связи и методические проблемы точных измерений. "Изв. Крымской астрофизической обсерватории", 1990, т. 182, с. 161-172.

3. Справочник радиолюбителя. Киев, Гос. изд-во технической литературы УССР, 1961, с. 288.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации шумов, возникающих в контактах металл-полупроводник спонтанно или под действием неконтролируемых факторов внешней среды. Сущность изобретения: устройство выполнено в виде полупроводниковой пластины n-типа. На ее поверхность нанесены два электрода из разных металлов. Электроды подключены к блоку измерения. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для регистрации флуктуаций работы выхода электронов, имеющих характер неравновесного шума типа 1/f, содержащее полупроводниковую пластину с нанесенными на нее двумя электродами и подключенную к измерительному блоку, отличающееся тем, что использована полупроводниковая пластина n-типа, а электроды выполнены из разных металлов. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что использована полупроводниковая пластина из фосфида галлия.