Способ определения профиля заряда в диэлектрике Советский патент 1988 года по МПК G01R31/28 

.

-v/ZZA

12

Од

со

о

00

114

Изобретение относится к измерению параметров материалов, а именно к измерению параметров диэлектриков.

Целью изобретения является расширение области применения и упрощение реализации способа.

Блок-схема устройства, реализующего способ, изображена на чертеже„

Исследуемый диэлектрик 1 вместе с электролитом 2 и контрэлектродом 3 образуют плоский конденсатор емкости С, Контрэлектрод 3 может быть как полупроводниковым, так и металлическим или электролитическим, Элек тролит 1 заземляется, а контрэлектро 3 подключается к измерительной аппаратуре. Конденсаторы 4,5 (емкости Cj и С) много меньше измеряемой емкости С, включающей исследуемый ди- электрик, имеют пренебрежимо малые токи утечки (воздушные или полистироловые конденсаторы). Электрометрический усилитель 6 также имеет малую входную емкость и очень большое вход ное сопротивление, так что постоянна времени саморазряда цепи контрэлектрода много больше времени стравливания диэлектрика. Для отключения электрометра по переменному току частоты f в схему введено сопротивление 7 величиной R такое, что постоянная времени RC много больше (2)) и в то же время много меньше характерных времен изменения потенциала контрэлектрода V, связанных с травлением диэлектрика.

В этих условиях величина малого переменного сигнала частоты f, поступающего от генератора 8 и вьделяюще- гося на исследуемом диэлектрике, обратно пропорциональна его емкости С, а изменение потенциала контрэлектрода V определяется только перераспределением заряда, происходящем в процессе стравливания диэлектрика. Переменное напряжения усиливается усилителем 9, детектируется детектором 10 и подается на X-вход двухкоорди- натного самописца 11. Постоянньм потенциал контрэлектрода V усиливается электрометрическим усилителем 6 и подается на Y-вход самописца 11.

В начале процесса стравливания контрэлектроду с помощью батареи 12 придается начальное значение потен- циала. Затем эта установочная цепь

отключается и начинается запись зависимости V от С в процессе стравливания диэлектрика. В это время контрэлектрод изолирован, следовательно, заряд Q на нем остается постоянным. В силу условия электронейтральности этот заряд в сумме с зарядом в диэлектрике Qa и зарядом в электролите Q равен нулю, т.е.

Q + Q. 4 Q, 0.

(1)

Напряженность электрического поля Е(х) в диэлектрике на расстоянии х от контрэлектрода равна:

Q. Е,

KCvW I EfoS

-J(x)dx, (2)

где - диэлектрическая постоянная;

о 8,85ЧО- Ф/сму S - площадь конденсатора (для структуры, изображенной на чертеже, это площадь контакта электролита с диэлектриком) .

Через Р(х), К-л/см, обозначена искомая величина - плотность электрического заряда в диэлектрике.

Падение потенциала на диэлектрике ( равно:.

- J E(x)dx J 5 5(x)dxdx,

Qd

EEoS

(3)

0 0

с

где d - толщина диэлектрика. В сумме с падением потенциала на контрэлектроде 1 и контактной разностью потенциалов контрэлектрод - электролит величина ц равна (с обратным знаком) напряжению V, т.е.

с

М к + 4 k3 -VИз (3) и (4) следует Qd

H.S

(4)

V -f

f

- Uj(x)dxdx,

(5)

о о

с

Величина i может иметь заметно от личное от нуля значение только для гго лупроводникового контрэлектрода (для металлического и электролитического она близка к нулю) . Но поскольку Ц) однозначно связана с Q, в условиях измерений она остается постоянной.

Величина c/j зависит от материала контрэлектрода, состава электролита и температурь. В условиях измерений она также остается постоянной. Дважды дифференцируя (5) по d с учетом постоянства Q, Cf и , получим

(6)

Толщина диэлектрика d связана сего емкостью Сд соотношением

d

SC- о

(7)

поэтому формула писана в виде

(6) может быть пере

1 ,S

d4 d(C- )

В схеме, изображенной на чертеже, измеряется зависимость V от полной величины С . Последняя включает в себя также емкость пространственного заряда С „j на границе контрэлектрода с диэлектриком. Но поскольку это включение последовательно.

-1

+ С

ПЗ

(9) 30

Для металлического, электролитического и сильно легированного полуцровод- никойого электрода С CiO и С., ь Сд . Но и в общем случае, посколь- ку С однозначно связана с Q, в процессе стравливания она остается постоянной и приводит, согласно (9), лишь к смещению измеренной V - С кривой на величину Сп. Из (9) еле-

дует, что

dC dC

и формула (8)

переходит в

р(х)

E,S d(C-M

(10)

Таким образом, искомый профиль плотности электрического заряда в диэлектрике р(х) находится двойным дифференцированием полученной завиsn

Редактор М.Циткина

Составитель В.Степанкин

Техред М.Ходанич

10

15

20

25

30

35 40

симости V от . Привязка к координате X осуществляется с помощью соотношения (7) .

В правой части (5) только величина Q зависит от начального значения V. После двойного дифференцирования Q.выпадает и не входит в окончательные выражения (6), (8) и (10). Поэтому, как указьгаалось выше, начальное значение V может быть выбрано .произвольно.

Формула изобретения

Способ определения профили заряда в диэлектрике, заключакяцийся в том, что приготавливают образец контролируемого диэлектрика с первой и второй плоскопараллельными поверхностями, приводят первую поверхность образца контролируемого диэлектрика в контакт с электролитом, а вторую - с контрэлектродом, измеряют емкость между электролитом и контрэлектродом, уменьшают толщину образца путем стравливания первой поверхности, определяют толщину образца контролируемого диэлектрика по величине емкости между электролитом и контрэлектродом, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения и упрощения осуществления способа, измеряют плавающий потенциал между электролитом и контрэлектродом и определяют плотность электрического заряда j(x) в диэлектрике по формуле

, , 1

«5

d(c- )

.

V

с

анкин

-диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

-диэлектрическая постоянная;

-площадь контакта электролита с диэлектриком;

-плавающий потенциал;

-емкость между электролитом и контрэлектродом;

- толщина диэлектрика.

Корректор О.Кравцова

Способ определения профиля заряда в диэлектрике реализован в устройстве. Изготавливают образец контролируемого диэлектрика (КД) с плоскопараллельными плоскостями, приводят поверхности КД 1 в соприкосновение, , одну - с электролитом 2, другую - с контрэлектродом 3, измеряют емкость, уменьшают толщину КД 1, стравливая с одной поверхности, определяют толщину КД 1 по величине емкости между электролитом 2 и контрэлектродом 3j измеряют плавающий потенциал меяду электролитом 2 и контрэлектродом 3, и определяют плотность Р(х) заряда в КЛ 1 по формуле /(x) () A((C )), где - диэлектрическая проницаемость КД; -.диэлектрическая постоянная; S - площадь контакта электролита с КД-, V - плавающий с потенциал) С - емкость между электро- ® литом 2 и контрэлектродом 3; d - толщина КД. Способ прост в реализации и имеет расщиренную область использования. 1 ил. (Л