Транзисторный способ определения работы выхода электронов

(ГОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЬСТВУ ВТОРСКО ИДЕ(56) 1. Грин М, Поверхностные свойстватвердых тел, М,: Мир, 1972, с. 208,2. Авторское свидетельство СССРМ 1157022, кл. С 01 В 19/00, 1982.(54) ТРАНЗИСТОРНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ(57) Использование: изобретение относитсяк измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния поверхностей по величине работы выходаэлектронов, например при дефектоскопии,определении чистоты или степени активации поверхностей, анализе состава и структуры поверхностных слоев, Сущностьизобретения; с целью расширения функциональных возможностей способа за счетприменения его для различных микрообьекИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния поверхностных слоев повеличине 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,тов 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 тарировочных данных, полученных на образцах с известной работой выхода электронов, по . величине тока определяют работу выхода электронов исследуемого образца. Измери.тельный 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,Схема устройства включает в себя измерительный транзистор 1, эмиттер и коллек- К) тор которого подключены к измерительному 0 р блоку 2, представляющему собой последовательную цепь, состоящую из измерительного прибора 3 и источника постоянного напряжения 4, и экран 5, подключенный через резистор б к источнику постоянного напряжения 4, который со стороны вывода базы, напраепенного е сторону контролируемого объекта, имеет открытый торец, закрываемый при измерениях поверхностью контролируемого объекта, выполняющего роль стенки экрана. Для повышения точности и воспроизводимости результатов припроведении замеров в нетермостатируемых помещениях экран 5 может быть размещен в термостабилизирующем кожухе, поддерживающем постоянную температуру измерительного транзистора 1, 5Перед проведением измерений с источника постоянного напряжения 4 на измерительный транзистор подается постоянное напряжение, которое вызывает протекание через транзистор токаО, фиксируемого из мерительным прибором 3. Это значение принимается за нулевое.Далее экран 5 открытым торцом устанавливают на контролируемый объект 7, который выполняет роль участка экрана 5 и 15 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 20 с исследуемой поверхностью с постоянным усилием, например, с помощью пружины, Под воздействием контактной разности потенциалов произойдет ионизация базовой области, а следовательно, изменится проте кающий через транзистор ток, фиксируемый измерительным прибором 3. Для транзистора типа р-и-р при Ъ (Ъ ток 1 увеличится, при ррток 1, уменьшится, где ъ и дъ - работы выхода электронов ме талла и полупроводника соответственно.Значение работы выхода с исследуемой поверхности определяется по показаниям прибора и тарировочным характеристикам (см,фиг, 2), Тарировка проводится для каж дого измерительного транзистора на материалах с известной работой выхода электронов.При определении КРП микрообъектов, имеющих площадь=10-з 10-4 мм 2 и 40 невидимых невооруженным глазом (структурные составляющие сплавов, элементы микросхем), можно совместить в одном приборе устройство для замера КРП и оптическую систему, позволяющую производить 45 выбор микрообъектов для измерений, как это выполнено в других совмещенных ириборах, микротвердомерах типа ПУТ-З,Техническое обоснование работоспособности предлагаемого способа заключается в следующем, При контакте металла и полупроводника донорного типа базовой области (например, для транзистора типа р-и-р) за счет разности работ выхода происходит ионизация базовой области и, следовательно, изменение тока 1, протекающего через транзистор.Пусть термодинамическая работа выхода 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, М = 10 м сблизить с металлом на расстояние порядка параметра решетки б - 5 10 м число электронов, которое должно перейти из полупроводника на каждый квадратный метр поверхности металла при разности потенциалов Ч, например 1 эВ, будет равно: п= Чо/еб =1017Так как в атомном слое полгпроводника(1021)2/3 10 4 -2 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 бп =5 10 м и который тем боль ше, 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 1,. Положительный заряд повышает высоту потенциального барьера эмиттерного перехода, снижая инжекцию дырок в базу, в результате ток 1 уменьшается. Т.о. транзистор выполняет роль преобразователя контактной разности потенциалов между исследуемой поверхностью и базовой областью транзи стара в измеряемую величину тока,В качестве измерительного транзисто ра целесообразно выбирать транзистор г наиболее узкой базовой областью (че меньше ширина базы, тем глубже ионизир9 Р 737 17 И(зв) щ,Составитель Ю.ПАтыхинТехред М,Моргентал Корректор Н,Слабодяни Курко едакт аказ 770 ВНИИПИ Тираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 инат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1 О водственно издательский ванный слой. тем сильнее изменение проте кающего через транзистор тока), Ширина базы современных транзисторов 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 микрообьектов и деталей сложной конфигурации,Поскольку не существует технических ограничений на форму базового вывода транзистора и заостренность его конца, обращенного к измерительному обьекту, 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 цвети,с ройсва по обеспечению высокого входного сипротивления (10 Ом и выше) и бьи;трпдействия1 г(7 - 10 измерений в секунду), коорые явля ются обязательными при использованииконденсаторного способа. Формула изобретения Транзисторный способ определения ра боты выхода электронов, согласно которомуполностью экранируют измерительный электрод, используя поверхность исследуемого образца в качестве стенки экрана, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повыше ния чувствительности и расширения области применения, в качестве контактного измерительного электрода используют иглу из материала со стабильной работой выхода электронов, непосредственно соединенную 20 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 25 определяют работу выхода электронов исследуемого образца.