Способ определения энергетических уровней полупроводников

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 09) (И) ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с 5ср се с." д ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ(71) Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации им. Ленинского комсомола(56) Ковтонюк Н.О., Концевой Ю.А, Измерение параметров полупроводниковых материалов, М., "Металлургия", 1970, с. 402-408.Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерение параметров полупроводниковых материалов, М., "Металлургия", 1970 с. 399-400.с(54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, основанный на воздействии на полупроводниковый образец внешним электрическим полем, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и упрощения, возбуждают в локальной Ю 4 Н 01 Ь 21/66, С 01 В 31/2 области полупроводникового образца управляемые по величине электричеспч кие колебания частотой Г = в , где2 Ь и - целые числа, ч - скорость волны деформации кристаллической решетки, Ь - длина части образца, свободной от возбуждения, измеряемая вдоль направления распространения волны, затем устанавливают на поверхности образца два металлических зонда в направлении распространения волны деформации, причем расстояние между ними не превышает четверти длины волны деформации кристаллической решетки и один из них находится нае минимально возможном расстоянии от локальной области, измеряют постоянную разность потенциалов между зоно дами, а о параметрахэнергетических уровней судят по зависимости разнос- д ти потенциалов от величины напряжения возбуждающего электрического поля.5 10 15 20 Изобретение относится к измерительной технике и может быть в част ности использовано при определении электрофизических свойств полупроводниковых кристаллов.Известны способы определения энергетических уровней полупроводников, основанные на взаимодействии света с полупроводником, согласно которым по частотной зависимости коэффициен 3 та поглощения или фотопроводимости определяют ширину запрещенной зоны и энергию примесных уровней.Недостатком этих способов является сложность аппаратурной реализации.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения энергетических уровней полупроводников, основанный на воздействии на полупроводниковый образец внешним электрическим полем. Способ дает возможность вычислить ширину запрещенной зоны материала на основании температурного хода проводимости, для чего требуется подать на образец электрическое и тепловое поля,Недостатками способа является сложность и невысокая точность, так как при его реализации используется большое количество приборов, а образец должен иметь определенные геометрические размеры, Кроме того, контактные явления при пропускании и индикации электрического тока через полупроводник ограничивают способ поконцентрации и подвижности носителейзаряда, Известнымспособом нельзя отличить донорные примеси от акцепторных.Цель изобретения - увеличение точности и упрощение способа. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения энергетических уровней полупроводников, основанном на воздействии на полупроводниковый образец внешним электрическим полем, возбуждают в локальной области полупроводникового образца управляемые по величине электрические колебания с частотойичЕ = - , где п- целые числа, ч скорость волны деформации кристаллической решетки, . - длина свободной от возбуждения части образца, измеряемая в направлении распространениявволны, затем устанавливают на поверхности образца два металлических зондав направлении распространения волныдеформации, причем расстбяние междуними не превышает четверти длиныволны деформации кристаллической решетки и один из них находится на минимально возможном расстоянии от ло -кальной области, измеряют постояннуюразность потенциалов между зондами,а о параметрах полупроводника судятпо зависимости разности потенциаловот величины напряжения возбуждающегоэлектрического поля,На фиг. 1 представлена схема, спомощью которой реализуется способ,на фиг. 2, 3 показана зависимостьразности потенциалов между зондамиБ, расположенными на поверхностиполупроводника, от напряжения на обкладках конденсатора Бг, возбуждающего электрические колебания в локальной области полупроводниковогообразца,Часть исследуемого полупроводника 1 (фиг, 1) помещают между обкладками конденсатора 2 и изолируют от них диэлектрическими пленками 3 так, что за его пределами остается свободная часть образца длиной Е, Подключая обкладки конденсатора к генератору сигналов, создают в локальной области полупроводника переменное электрическое поле, которое вызывает колебания свободных носителей заряда и ионов, Так как последние связаны с нейтральными атомами кристаллической решетки квазиупругими силами, то вдоль свободной части полупроводника будет распространяться волна кристаллической решетки, За счет интерференции бегущей от источника (конденсатора) и отраженной от края полупроводника волн возникает стоячая волна кристаллической решетки. В узлах стоячей волны процессы генерации и рекомбинации определяются тепловыми явлениями, а в остальных областях стоячей волны процессы рекомбинации происходят интенсивнее за счет встречных колебаний ионов кристаллической решетки и свободных носителей заряда. Это приводит к уменьшению концентрации свободных носителей заряда в пучностях по сравнению с областями узлов стоячей волны. Таким образом, вдоль полупроводника будет наведено распределение концентрации свободных носителей за 25 30 35 40 45 50 551131ряда с закономерностью, обратной распределению колебаний в стоячей волне. Между двумя металлическими. зондами 4, расположенными на поверхности свободной части полупроводни ка, один из которых - в области пучности, а другой - в области узла стоячей волны, наводится разность потенциалов, обусловленная разными концентрациями свободных носителей 10 заряда, фиксируемая цифровым вольтметром 5, работающим в режиме постоянного напряжения.Величину амплитуды колебаний в стоячей волне можно регулировать из менением напряжения на конденсаторе. С увеличением этого напряжения будет расти амплитуда колебаний ионов кристаллической решетки и,свободных . носителей заряда, в связи с чем уве личивается частота их столкновений. Все это приводит к увеличению интенсивности рекомбинационных процессов и уменьшению концентрации свободных носителей заряда в пучностях стоячей 25 волны, Когда энергия свободных электранов, сообщенная им электрическим полем, становится равной энергии пере,хода связанных электронов на более высокий энергетический уровень в кристалле, интенсивность процесса генерации увеличивается из-за ударной ионизации, увеличивается и концентрация свободных носителей заряда, Если это основные носители заряда, то раз. 35 ность потенциалов между зондами умень шается, если это неосновные - увеличивается. При этом закономерность зависимости разности потенциалов между зондами от напряжения на конден 40 саторе скачком изменится.Пример реализации способа,,Часть исследуемого образца в виде кремниевой пластины, легированной бором (р-типа проводимости), с 45удельным сопротивлением 0,1 Омм, диаметром 25 мм помещают между обкладками конденсатора площадью 10 10 мми изолируют от них полиэтиленовымийленками той же площади толщинЬй 500,5 мм, Обкладки конденсатора подключают к генератору сигналов типа ГЗ 7 А, работающему на частоте 10 Гц.Разность напряжений на зондах, расположенных на расстоянии 1 мм друг 55от друга и от обкладок конденсатора,фиксируют цифровым вольтметром типаВ 7-27 А, работающим в режиме измере 3984ния постоянного напряжения. Частота 10 Гц является оптимальной для полу. проводниковых пластин, выпускаемых промышленностью.На фиг. 2 показано изменение напряжения на зондах У от напряжения . на обкладках конденсатора Б, в пределах 0,15-1,6 В, а на фиг. 3 - в пределах 0,005-0, 150 В, На фиг. 2 наблюдаются три линейных участка при напряжениях на обкладках конденсатора в пределах 0,005-0,050 В; 0,055- 1,0 В; 1,1-1,6 В. При напряжении на обкладках конденсатора в пределах 0,050-0,055 В ход зависимости скачкообразно изменяется из-за уменьшения напряжения на зондах, Следовательно, энергия перехода. электронов на более высокий уровень равна 0,05 эВ. По уменьшению напряжения между зондами можно судить о том, что в результате перехода увеличилась концентрация основных носителей заряда. Таким образом, определена величина энергии акцепторного примесного уровня, который находится на расстоянии 0,05 эВ от дна запрещенной зоны.Следующий перелом графика фиг. 2 соответствует напряжению на конденсаторе 1,0 В, при котором разность напряжений на зондах несколько увеличивается, достигая максимума при напряжении на конденсаторе 1,05 В. Следовательно, в данном случае увеличилась концентрация неосновных носителей заряда, что возможно при переходе электронов из валентной зоны в соседнюю свободную зону. Поэтому ширина запрещенной зоны равна 1,05 эВ. Приведенные значения акцепторного уровня (кремний, легированный бором) и ширины запрещенной зоны соответствуют литературным данным. По сравнению с базовым объектом предлагаемый способ определения энергетических уровней полупроводников принципиально отличается от него и имеет следующие преимущества:1) использует взаимодействие электрической энергии с полупроводником без каких-либо дополнительных преобразований энергии из одного вида в другой;2) использует полупроводниковые пластины, выпускаемые промышленностью, без какой-либо их обработки;3) использует контактные явления для индикации, что снимает ограничеехред И.Попович едактор Е.И пова ррек илипенко аказ 5267 2 Тираж 643венного квмитета СССРретений и открытийЖ, Раушская наб.,Подписно НИИПИ Государс по делам изо 13035, Москвау,Производ ст ве нно-полиграфическо е предприятие , г . Ужгород , ул . Пр о ект ная,3 11 ния на концентрацию и подвижность носителей заряда,4) для его реализации используют минимальное число приборов - источник переменного электрического напряжения и вольтметр постоянного напряжения,5) графические зависимости строятся с большой точностью, обеспечиваемой регулируемым источником переменного напряжения,31398 ь 6) позволяет определить донорные и акцепторные уровни вотдельности. Указанные преимущества расширяютсферу применения способа определенияэнергетических уровней полупроводников, что имеет большое значение нриисследовании электрофизическихсвойств полупроводников и их исполь 1 О зовании в полупроводниковых приборах,интегральных схемах и т.д,