СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА Российский патент 2000 года по МПК G01R29/14 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано, например, при разработке устройств электронной техники, где существенно влияние электронного состояния поверхности электротехнических материалов, например, при разработке элементов фотоэмиссионных и электроэмиссионных приборов или для контроля качества химической обработки поверхности полупроводниковых материалов на начальной стадии изготовления полупроводниковых приборов.

Предлагаемый способ является дальнейшим усовершенствованием широко известного метода Кельвина измерения контактной разности потенциалов (Kelvin (lord), Phil. Mag. (V) 46, 82, 1898). Этот метод заключается в следующем. В зазоре между двумя гальванически соединенными электродами, образующими плоский конденсатор, возникает электрическое поле, определяемое различием поверхностных потенциалов электродов. При изменении зазора конденсатора напряженность поля изменяется, что приводит к появлению тока во внешнем проводнике, соединяющем электроды. Включив в разрыв цепи конденсатора источник напряжения и регулируя его, добиваются исчезновения тока при перемещении одного из электродов. Искомую величину контактной разности потенциалов определяют, измеряя напряжение на источнике при нулевом токе конденсатора.

Усовершенствованный Зисманом, который заменил перемещающийся электрод вибрационным (Zisman W.A., Rev. Sci. Instrum. 3, 367, 1932), а в дальнейшем Праттом и Кольмом, которые применили вращающийся электрод (Pratt G., Kolm Н. , Semic. Surf. Phys. 1957, 297), этот метод динамического конденсатора получил широкое распространение, благодаря уникальным особенностям. Метод бесконтактный, не разрушающий исследуемое электронное состояние поверхности, позволяет проводить измерения как в вакууме, так и в любых газовых средах, включая агрессивные. Этот метод оказался незаменимым, например, при исследовании поверхностных свойств полупроводников.

Основным ограничением, препятствующим широкому применению метода в условиях производства, является сложность автоматизации измерений. В статье (Н. М.Алейников и др. Приборы и техника эксперимента, 1974, 6, с. 188), опубликован автоматизированный измеритель поверхностного потенциала (прототип), в котором для определения полярности измеряемой контактной разности потенциалов сравниваются фазы тока динамического конденсатора и напряжения генератора звуковой частоты, возбуждающего колебания вибрационного электрода. Недостаток в том, что этот сдвиг фаз зависит не только от полярности контактной разности, но и от инерционности вибрационного электрода, что приводит к ошибкам.

В приборе (Н.М.Алейников, С.П.Грибков. Приборы и техника эксперимента, 1984, 2, с. 213) для автоматического определения полярности контактной разности потенциалов используется ассиметрия периодического сигнала, получаемого дифференцированием ангармонических колебаний тока динамического конденсатора. Недостаток способа в том, что сигнал необходимой формы возникает при малых зазорах динамического конденсатора (до нескольких мкм), а возникающие при этом эффекты, приводят к дестабилизации исследуемого поверхностного электронного состояния (Н. М.Алейников. Поверхность. Физика, химия, механика. 1987, 9, с. 31).

Предлагаемый способ наблюдения изменений поверхностного потенциала, основанный на индуцировании переменного тока в цепи динамического конденсатора при ненулевом значении контактной разности потенциалов между электродами конденсатора, позволяет измерять и наблюдать на экране осциллографа изменения поверхностного потенциала, возникающие например, в результате адсорбции различных газов на исследуемой поверхности или при сканировании вибрационного электрода над гетерогенной поверхностью. Для этого к электродам динамического конденсатора, образованного исследуемым образцом и эталонным вибрационным электродом, одновременно с постоянным напряжением, прикладывают от низкочастотного генератора синусоидальное напряжение модуляции, частота которого не менее, чем в 20-30 раз ниже частоты механических колебаний вибрационного электрода, возникающий в цепи конденсатора сигнал, усиливают и подают на Y-вход осциллографа, а на X-вход осциллографа подают напряжение от низкочастотного генератора, на экране осциллографа наблюдают амплитудно-модулированный сигнал, огибающие которого представляют две пересекающиеся прямые, регулируя постоянное напряжение, перемещают точку пересечения огибающих в центр экрана и определяют исходное значение относительного поверхностного потенциала, измеряя постоянное напряжение, а о последующих изменениях потенциала судят по перемещению точки пересечения огибающих и величину изменения поверхностного потенциала вычисляют по формуле

где U_m - амплитуда напряжения модуляции на конденсаторе, X - изменение координаты точки пересечения огибающих амплитудно-модулированного сигнала при изменении поверхностного потенциала на величину ΔV, X_m - максимальное отклонение луча по горизонтали.

На фиг.1 приведена схема, реализующая предлагаемый способ. Динамический плоский конденсатор образован неподвижным исследуемым образцом 1 и эталонным вибрационным электродом 2. Механические колебания, частотой, например 1000 Гц, вибрационному электроду передаются вибратором 3, например пьезоэлементом, для возбуждения которых к вибратору подключен генератор 4 звуковой частоты. Постоянное напряжение на динамическом конденсаторе регулируется резистором 5, соединенным с двумя источниками 6 и 7 постоянной ЭДС, позволяющими изменять полярность напряжения, и измеряется вольтметром 8. Напряжение модуляции частотой, например 20 Гц, подается на динамический конденсатор с регулятора напряжения 9, подключенного к генератору 10 звуковой частоты, и измеряется вольтметром 11, например пиковым. Амплитудно-модулированный сигнал, возникающий в цепи динамического конденсатора, усиливается линейным усилителем 12, преобразующим ток динамического конденсатора в напряжение, и подается на Y-вход вертикального отклонения луча осциллографа 13. На X-вход горизонтального отклонения луча осциллографа напряжение развертки подается с регулятора напряжения 14, подключенного к генератору 10.

Рассмотрим сущность предлагаемого способа. Пусть к обкладкам плоского конденсатора, расположенным на расстоянии h друг от друга, и контактная разность потенциалов между которыми V, приложено напряжение U₀. Если одна из обкладок вибрирует, т.е. зазор конденсатора изменяется по закону h = h₀+αsinωt, то по внешнему проводнику, соединяющему обкладки, при выполнении условия малости колебаний α ≪ h₀ пойдет переменный ток где ε₀ - электрическая постоянная, S - площадь обкладок конденсатора, α - амплитуда вибрации, h₀ - величина равновесного зазора, ω - циклическая частота механических колебаний.

Если к обкладкам конденсатора одновременно с постоянным напряжением U₀ приложено переменное напряжение U(t) = U_mcosΩt, т.е U = U₀+U_mcosΩt, то при выполнении условия Ω ≪ ω в цепи динамического конденсатора пойдет амплитудно-модулированный ток

амплитуда которого изменяется со временем I_m(t) = A₀(U₀-V+U_mcosΩt).
Здесь - постоянная, зависящая от параметров динамического конденсатора, Ω - циклическая частота модуляции, U_m - амплитуда напряжения модуляции на конденсаторе.

Преобразуем ток динамического конденсатора в напряжение и подадим U_y на Y - вход вертикального отклонения луча осциллографа (k - коэффициент преобразования, зависящий от коэффициента усиления усилителя и чувствительности осциллографа), а на X-вход горизонтального смещения луча подадим напряжение развертки от источника напряжения модуляции
U_x= U_xmcosΩt. (3)
Подставляя (1) и (3) в (2), получим зависимость U_y (U_x)

При чувствительности осциллографа по X-входу где X - ордината луча при напряжении U_x, X_m - максимальное отклонение луча по горизонтали при напряжении U_xm на X-входе осциллографа, уравнение (4) можно представить в виде зависимости U_y (X), отражающей осциллограмму амплитудно-модулированного сигнала

Эта осциллограмма представляет гармонические колебания с линейно изменяющейся вдоль ординаты амплитудой

т.е. огибающими сигнала являются две прямые, пересекающиеся в точке X на оси ординат в момент U_ym = 0, когда глубина модуляции становится максимальной (коэффициент модуляции m=1). Очевидно, что положение точки пересечения огибающих зависит от величины U₀ - V. Изменяя напряжение U₀, можно эту точку переместить в начало координат. Это напряжение U₀ = U_k, компенсирующее исходную контактную разность потенциалов V, определим, подставляя в (6) U_ym = 0 и X = 0.

U_ym = kA₀(U_k-V) = 0.

Получим, что U_k = V. Таким образом, измеряя напряжение U₀, при котором точка пересечения огибающих находится в начале координат, определяют исходное значение контактной разности потенциалов V или относительное значение поверхностного потенциала образца.

Предположим, что величина V увеличилась на ΔV. Это приведет к перемещению точки пересечения огибающих в точку с ординатой X.

Учитывая, что постоянное напряжение на конденсаторе U_k = V, получим

Таким образом, по величине смещения X точки пересечения огибающих относительно начала координат, зная амплитуду U_m напряжения модуляции и величину X_m максимального отклонения луча по горизонтали, определяют величину изменения поверхностного потенциала ΔV
Из (9) следует, что чувствительность δ измерений ΔV

можно легко изменять, регулируя напряжение модуляции U_m. Действительно, т. к. напряжение U_xm развертки, снимаемое с потенциометра 14, независимо от напряжения U_m модуляции, снимаемого с потенциометра 9, и остается неизменным в процессе измерений, а следовательно, не изменяется и размах X_m луча по горизонтали, необходимая чувствительность δ может задаваться напряжением модуляции U_m.

Рассмотрим пример практического применения способа. Пусть, например, исходная осциллограмма имеет вид, приведенный на фиг. 2а.

1. Регулируя напряжение U_x развертки потенциометром 14, растянем изображение по горизонтали по всей сетке экрана осциллографа, например, на величину X_m = 5 делений (фиг. 2б).

2. Регулируя постоянное напряжение U₀ потенциометром 5, переместим точку пересечения огибающих модулированного сигнала в центр экрана (фиг. 2в). Вольтметр 8 покажет при этом величину компенсирующего напряжения U_k, численно равную исходному значению контактной разности потенциалов V. Пусть, например, эта величина равна +0,127 В.

3. Регулируя напряжение U_m модуляции потенциометром 9, по показаниям вольтметра 11 установим, например, напряжение U_m =0,05 В, т.е. установим чувствительность делений/вольт.

4. Пусть в результате последующих изменений поверхностного потенциала точка пересечения огибающих переместилась вправо (фиг. 2 г), например, на величину X = 2,4 делений. Определим величину изменения поверхностного потенциала ΔV = X/δ = 2,4/100 = 0,024 (вольт). Таким образом, контактная разность потенциалов увеличилась на величину 0,024 В и стала равной 0,151 В.

Модифицированный метод Кельвина измерения контактной разности потенциалов позволяет наблюдать изменения поверхностного электростатического потенциала металла или полупроводника на экране осциллографа. Для этого на обкладки динамического конденсатора, образованного исследуемым образцом и вибрирующим эталонным электродом, подают одновременно постоянное напряжение и синусоидальное напряжение модуляции. Возникающий в цепи конденсатора амплитудно-модулированный сигнал усиливают и подают на У-вход осциллографа, а на Х-вход осциллографа подают напряжение от генератора напряжения модуляции. При этом на экране осциллографа наблюдается амплитудно-модулированный сигнал, огибающие которого представляют две пересекающиеся прямые. По перемещению точки пересечения огибающих судят об изменении поверхностного потенциала, а величину изменения потенциала ΔV определяют по формуле ΔV = U_m X/X_m где U_v - амплитуда напряжения модуляции; Х - изменение координаты точки пересечения огибающих при изменении поверхностного потенциала на величину ΔV; X_m - максимальное отклонение луча по горизонтали. Технический результат - повышение точности. 2 ил.

Способ измерения измерений поверхностного потенциала, основанный на индуцировании переменного тока в цепи динамического конденсатора при ненулевом значении контактной разности потенциалов между электродами конденсатора, отличающийся тем, что к электродам динамического конденсатора, образованного исследуемым образцом и эталонным вибрационным электродом, одновременно с постоянным напряжением прикладывают от низкочастотного генератора синусоидальное напряжение модуляции, частота которого не менее чем в 20 - 30 раз ниже частоты механических колебаний вибрационного электрода, возникающий в цепи конденсатора сигнал усиливают и подают на Y-вход осциллографа, а на X-вход осциллографа от низкочастотного генератора подают напряжение развертки, на экране осциллографа наблюдают амплитудно-модулированный сигнал, огибающие которого представляют две пересекающиеся прямые, регулируя постоянное напряжение, перемещают точку пересечения огибающих в центр экрана и определяют исходное значение поверхностного потенциала, измеряя постоянное напряжение, а о последующих изменениях поверхностного потенциала судят по перемещению точки пересечения огибающих и величину изменения потенциала вычисляют по формуле

где U_m - амплитуда напряжения модуляции на конденсаторе;
X - изменение координаты точки пересечения огибающих при изменении поверхностного потенциала на величину ΔV;
X_m - число делений сетки экрана, соответствующее максимальному отклонению луча по горизонтали.