Устройство для бесконтактного измерения параметров полупроводниковых материалов Советский патент 1987 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения электрофизических параметров полупроводников и полуметаллов, а также при исследовании кинетических явлений.

Цель изобретения - повышение точности измерений в диапазоне криогенных температур и расширение диапазона значений измеряемых параметров. На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства для бесконтактного измерения параметров полупроводниковых материалов; на фиг.2 - конструкция измерительного блока.

Устройство для бесконтактного измерения параметров полупроводниковых материалов содержит высокочастотньш генератор 1, измерительный блок 2, направленный ответвитель 3, детектор 4, регистратор 5. Измерительный блок 2 содержит электромагнит 6, между полосами которого установлен кронштейн 7 из электроизолирующего материала, на котором прикреплена катушк 8 связи и который снабжен углубление 9, куда помещен контейнер 10 с исследуемым образцом 11. Кронштейн 7 прикреплен фиксатором 12 к магнитопрово- ду 13 электромагнита 6. Часть кронштейна 7, которая находится между полюсами электромагнита 6 в сосуде 14 с криогенной жидкостью, охвачена витками катушки 8 связи. Та кронштейне 7 имеется канал 15, входящий в углубление 9, в котором расположен плунжер 16. Поворотный контейнер 10 при помощи тросика I7 кинематически связан со шкальным и поворотным устройством 18. В измерительном блоке 2 размещен переменный конденсатор 19, пpикpeплeн ый к кронштейну 7. На кронштейне 7 измерительного блока 2 расположено высокочастотное гнездо 20 для подключения блока 2 в измерительный тракт. Направленный ответвитель 3 включен между генератором I высокочастотных колебаний и катушкой 8 связи измерительного блока 2. Переменный конденсатор 19 включен последовательно с катушкой 8 связи операционного блока 2. Детектор 4, соединенный с регистратором 5, подключен 55 ля Ь, имеем

18..

- 7 -

Рхх (Я

тг

,нечетн

к ответвленному каналу направленного ответвителя 3. Сосуд 14 с криогенной жидкостью установлен между полюсами электромагнита 6.

При подготовке к измерениям контейнер 10 с исследуемым образцом 11 при помоши плунжера 16 через углубленный канал кронштейна опускают в углубление и прижимают. Проверяют работоспособность шкального и поворотного устройства 18, выставляют нуль этого устройства. От генератора 1 электрический сигнал нужной частоты подается через направленный ответвитель 3 на LC-последовательный контур, состояш 1й из переменного конденсатора 19 и катушки В связи. На выходе направленного ответвителя 3 ре- гистратором 5 фиксируется продетекти- рованный детектором 4 отраженный сигнал. Вращая ручку переменного конденсатора 19, получают минимальный сигнал на выходе детектора 4, т.е. вве- дением емкости компенсируют реактанс катушки 8 связи. Устройство готово к измерениям.

При включении электромагнита 6 между полюсами электромагнита соз- дается постоянное магнитное поле В. Возникающее вокруг катушки 8 связи переменное магнитное поле Ь возбуждает в присутствии постоянного магнитного поля В в исследуемом образ- це магнитоплазменные волны.

Напряжение , индуцируемое в катупже 8, определяется через пото- косцепления v этой . По аналогии с трансформатором можно записать

V iG uj.I , (1) где G - геометрический фактор (число витков, конфигурация обмоток, объем и т.д.); т - ток через катунгку связи; w - круговая частота;

- магнитная проницаемость, определяющая связь между переменным полем Ь, возбуж- деннылм в исследуемом образце, и возбуждающим полем Ьр.

Если ось катушки 8 связи парал- лельна направлению возбуждающего по

L

., T+iQ(w/io)-(u)/tj)

(2)

13451

где u) m u)j, (m%V4|K.pa) x

(pyx-Pv j-fxv-pvx

Y/fl

Q (pxx/vy-fxyfv. );

m - целое нечетное число; 5 2a - толщина исследуемого образца; iU.p - магнитная постоянная;

Рхх bv

р - элементы тензора сопротивле10

ния; W - частота.

Величина М-, в общем случае комплексная:

Полное сопротивление катушки связи с исследуемым образцом равно

Z (R +u)Lo ) + itoL.K , , (3) где R , bjj - индуктивность и сопротивление катушки связи без исследуе- мого образца;

u)Lp M- L величина,эквивалентная активному сопротивлению, вносимая в катушку связи полем стоячей геликон- ной волны.

Как видно из формул (2), (3), импеданс образца представляет собой ря резонансных максимумов, соответствующих нечетному числу полуволн геликонов. Так как и., в зависимости от измерения частоты, магнитной индукции будет осциллировать, соответствующие осцилляции будут наблюдаться до полного сопротивления катушки с образцом Z. Если индуктивное сопро- тивление катупки с образцом X компенсировано емкостным сопрютивлением конденсатора Х, включенного последовательно с катушкой связи, тогда полное сопротивление равно резистансу катупжи с образцом R ().

С изменением величины постоянного магнитного поля согласно (1) будем наблюдать осцилляции отраженной мощности. Определив величину постоянног магнитного поля при полуволновом резонансе (максимум отраженной мощности), можем рассчитать концентрацию носителей

П

Jrfc4o Вр ё (2а) где с - скорость света;

Сд - электрическая постоянная; е - заряд электрона; Вр - индукция постоянного маг- нитного поля при полуволновом резонансе.

1345100

Поворачивая контейнер 10 с исследуемым анизотропным образцом 11 внутри катушки 8 связи, меняем поток Ф , т.е. получаем минимальное значение

Ф

мин

и максимальное Ф

МСТКС

и, тем самь1м, минимальное и максимальное значения отраженной мощности. Соотношение этих измеренных значений потоков дает параметр анизотропии подвижности, определяемый по максимальному значению величины

1-(Ф /Ф ) мин макс

| + (ф 7ф I макс

0

5

0 5 0

5

0

5

полученному измерением ее зависимости от напряже2шости постоянного магнитного поля В.

Формула изобретения

Устройство для бесконтактного измерения параметров полупроводниковых материалов, содержащее высокочастотный генератор, последовательно соединенные детектор и регистратор, и измерительный блок, состоящий из электромагнита, между полосами которого установлен кронштейн, на котором закреплены катушка связи, и контейнер для размещения исследуемого Образца, установленный с возможностью осевого вращения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений в диапазоне криогенных температур и расширения диапазона значений измеряемых параметров,введены направленный ответвитель,вход основного плеча которого включен между выходом высокочастотного генератора и входом измерительного блока, а выход плеча отраженного сигнала соединен с входом детектора, в измерительный блок введен переменный конденсатор, одна обкладка которого заземлена, а другая соединена с одним концом катушки связи, другой конец которой является входом измерительного блока, контейнер для размещения исследуемого образца установлен в углублении, выполненном в основании кронштейна, на котором размещена катушка связи и который закреплен на магнитопроводе электромагнита.

2Q

19

Фиг.2.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения повышение точности измерений в диапазоне криогенных температур и расширение диапазона значений измеряемых параметров. Устр-во содержит высокочастотный г-р 1, измерительньй блок (ИБ) 2, направленный ответвитель (НО) 3, детектор 4 и регистратор 5. Для подготовки устр-ва к измерениям от г-ра 1 электрический сигнал нужной частоты подается через НО 3 на LC- последовательный контур ИБ 2. На выходе НО 3 регистратором 5 фиксируется продетектированньй детектором 4 отраженный сигнал и при минимуме сигнала на выходе детектора 4 устр-во готово к измерениям. .Цель достигается введением НО 3 и выполнением ИБ 2. 2 ил. (Л СО 4 Сл Q}t/z.f