Транзисторный способ определения работы выхода электронов Советский патент 1993 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния поверхностных слоев по величине работы выхода электронов, например, при дефектоскопии, определении чистоты или степени активации поверхностей, анализе состава и структуры поверхностных слоев и т.д.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения за счет использования для различных микрообьектов и деталей сложной конфигурации, а также снижение габаритов и стоимости измерительного устройства.

Схема устройства включает в себя измерительный транзистор 1, эмиттер и коллектор которого подключены к измерительному блоку 2, представляющему собой последовательную цепь, состоящую из измерительного прибора 3 и источника постоянного напряжения 4, и экран 5, подключенный через резистор 6 к источнику постоянного напряжения 4, который со стороны вывода базы, направленного в сторону контролируемого объекта, имеет открытый торец; закрываемый при измерениях поверхностью контролируемого объекта, выполняющего роль стенки экрана. Для повышения точности и воспроизводимости результатов при

VI

ю

00

VI

Сл VI

проведении замеров в нетермостатируемых помещениях экран 5 может быть размещен в термостабилизирующем кожухе, поддерживающем постоянную температуру измерительного транзистора 1,

Перед проведением измерений с источника постоянного напряжения 4 на измерительный транзистор подается постоянное напряжение, которое вызывает протекание через транзистор тока 1Ко, фиксируемого измерительным прибором 3. Это значение принимается за нулевое.

Далее экран 5 открытым торцом устанавливают на контролируемый обьект 7, который выполняет роль участка экрана 5 и замыкает его внутренний объем, обеспечивая полную защиту измерительного транзистора 1 от посторонних электромагнитных полей. При этом вывод базовой области и экран приводятся в электрический контакт с исследуемой поверхностью с постоянным усилием, например, с помощью пружины. Под воздействием контактной разности потенциалов произойдет ионизация базовой области, а следовательно, изменится протекающий через транзистор ток, фиксируемый измерительным прибором 3. Для транзистора типа p-n-р при рм /Vi ток 1К увеличится, при ток U уменьшится, где рн и рп - работы выхода электронов металла и полупроводника соответственно.

Значение работы выхода с исследуемой поверхности определяется по показаниям прибора и тарировочным характеристикам (см.фиг, 2), Тарировка проводится для каждого измерительного транзистора на материалах с известной работой выхода электронов.

При определении КРП микрообъектов, имеющих площадь S 10 - 10 мм и невидимых невооруженным глазом (структурные составляющие сплавов, элементы микросхем), можно совместить в одном приборе устройство для замера КРП и оптическую систему, позволяющую производить выбор микрообъектов для измерений, как это выполнено в других совмещенных приборах, микротвердомерах типа ПМТ-3.

Техническое обоснование работоспособности предлагаемого способа заключается в следующем. При контакте металла и полупроводника донорного типа базовой области (например, для транзистара типа p-n-р) за счет разности работ выхода происходит ионизация базовой области и, следовательно, изменение тока к протекающего через транзистор.

Пусть термодинамическая работа выходя металла выше работы выхода полупроводника. Так как уровень Ферми в полупроводнике расположен выше, чем в металле, то поток электронов из полупроводника будет преобладать над потоком из металла,

вследствие чего металл начнет заряжаться отрицательно, а полупроводник - положительно до установления уровней Ферми металла и полупроводника на одном уровне. Полупроводник имеет значительно

меньше концентрацию электронов, чем металл, вследствие чего толщина слоя полупроводника, из которого уходят электроны, может оказаться значительной. Если полупроводник с концентрацией донорской примеси, например, Na 1021 сблизить с металлом на расстояние порядка параметра решетки d м число электронов, которое должно перейти из полупроводника на каждый квадратный метр поверхности

металла при разности потенциалов VK, например 1 эВ, будет равно:

n- VKe0/ed «1017

Так как в атомном слое полупроводника содержится ns (1021)2/3 « 10 4 донор- ных атомов, то для получения такого количества электронов необходимо ионизировать все донорные атомы на толщину примерно

1000 атомных слоев полупроводника. Т.о. в базовой области образуется неподвижный объемный положительный заряд, толщина которого dn м и который тем больше, чем больше разность работ выхода и

меньше концентрация основных носителей в полупроводнике.

При обратном соотношении работ выхода, т.е. когда работа выхода металла меньше работы выхода полупроводника, концентрация электронов в базовой области не уменьшается, а увеличивается, создавая неподвижный отрицательный заряд. Отрицательный заряд в базовой области уменьшает высоту потенциального барьера

эмиттерного перехода, вызывая тем самым дополнительную инжекцию дырок в базу и, следовательно, увеличение тока U. Положительный заряд повышает высоту потенциального барьера эмиттерного перехода,

снижая инжекцию дырок в базу, в результате ток 1К уменьшается. Т.о. транзистор выполняет роль преобразователя контактной разности потенциалов между исследуемой поверхностью и базовой областью транзи

стора в измеряемую величину тока.

В качестве измерительного транзисто ра целесообразно выбирать транзистор г. наиболее узкой базовой областью (че меньше ширина базы, тем глубже ионизир ванный слой, тем сильное изменение проте хающего через транзистор тока). Ширина базы современных трзнзисторов в пределах 0,2-0,4 мкм. Хорошие результаты дает использование в устройстве полевых транзисторов и его разновидностей.

Вывод базы изготавливается в виде металлической иглы для обеспечения измерения работы выхода с поверхностей микрообъектов и деталей сложной конфигурации,

Поскольку не существует технических ограничений на форму базового вывода транзистора и заостренность его конца, обращенного к измерительному объекту, то использование предлагаемого способа определения работы выхода электронов позволяет по сравнению с существующими контролировать поверхность деталей сложной конфигурации, содержащих выточки, пазы, шлицы и т.д., а также контролировать состояние поверхностей микрообъектов (структурных составляющих сплавов, элементов микросхем и т.д.).

Кроме того, использование транзисторного датчика позволяет исключить ряд требований к измерительной члсти yciponciBa по обеспечению высокого входного сопротивления (10 Ом и выше) и быстродействия (7-10 измерений в секунду), которые явля ются обязательными при использовании конденсаторного способа.

Формула изобретения Транзисторный способ определения работы выхода электронов, согласно которому полностью экранируют измерительный электрод, используя поверхность исследуемого образца в качестве стенки экрана, о т- личающийся тем, что. с целью повышения чувствительности и расширения области применения, в качестве контактного измерительного электрода используют иглу из материала со стабильной работой выхода электронов, непосредственно соединенную

с базовым выводом транзистора, определяют ток между эмиттером и коллектором и с помощью тарировочных данных, полученных на образцах с известной работой выхода электронов, по величине тока

определяют работу выхода электронов исследуемого образца.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния поверхностей по величине работы выхода электронов, например при дефектоскопии, определении чистоты или степени активации поверхностей, анализе состава и структуры поверхностных слоев. Сущность изобретения: с целью расширения функциональных возможностей способа за счет применения его для различных микрообъектов и деталей сложной конфигурации, а также снижения габаритов и стоимости измерительного устройства, в качестве контактного измерительного электрода используют иглу из материала со стабильной работой выхода электронов, непосредственно соединенную с базовым выводом транзистора, определяют ток между эмиттером и коллектором и с помощью тэрировоч- ных данных, полученных на образцах с известной работой выхода электронов, по величине тока определяют работу выхода электронов исследуемого образца. Измерительный транзистор размещают в экране, заостренный конец иглы направляют в сторону контролируемого объекта и вместе с экраном приводят в электрический контакт с объектом измерения. При проведении измерений в нетермостатируемом помещении измерительный транзистор размещают в термостабилизирующем кожухе. 2 ил. Ё