1.6.Однозондовий метод
В метрології напівпровідників однією з найважливіших задач є дослідження їх неоднорідності. Для оцінки електричної неоднорідності частіше за всього використовується координатна залежність ПЕО типу (х). Особливо актуально вивчення так званої мікронеоднорідності, тобто розподіли ПЕО в мікрооб'ємах.
Стосовно цієї задачі на перший план висувається необхідність підвищення роздільної здатності методів вимірювання ПЕО, що вимагає скорочення відстані між зондами.
Як вже вказувалося вище, в цьому відношенні двозондовий метод більш перспективний, ніж чотиризондовий. Проте зближувати навіть два зонди на мікроскопічно малу відстань фізично неможливо. Крім того, із зменшенням міжзондової відстані різко зростає відносна погрішність, пов'язана з неконтрольованими відхиленнями положення зондів від їх стаціонарних позицій.
Тому природним є прагнення до однозондової вимірювальної системи, коли розподільча здатність буде обмежена лише протяжністю контакту зонда з поверхнею зразка (2r).
О
днозондовий
метод може бути порівняно просто
реалізований як модифікація класичного
двозондового
методу (див. рис. 1.2).
1 – зонд, що рухається; 2 – досліджуваний зразок; S – площа поперечного перетину;
v – швидкість руху зонда; R і С– опір і ємність диференціюючого елемента.
Рис. 1.5. Схема однозондового методу
Уявимо собі, що зонд 1 нерухомо зафіксований, а зонд 2 послідовно, з точки вточку , переміщається у напрямі х, збільшуючи з кожним кроком ефективну межзондову відстань на деяку малу величину х. Розбивши всю довжину зразка на інтервали протяжністю х і змірявши в кожній точці значення ПЕО по формулі:
(1.20)
ми отримаємо шукану залежність (х).
Метод перетворюється в однозондовий, якщо зонд 1 заземлити разом із струмовим виводом або взагалі прибрати, проводячи відлік потенціалу від цього струмового контакту. Процедуру вимірювань ускладнює та обставина, що міжзондова відстань L також залежить від х, і фактично розрахунок зводиться до диференціювання U по координаті.
Щоб уникнути цих утруднень і з метою підвищення экспресності вимірювань запропоновано варіант однозондового методу з використанням зонда, що рівномірно рухається і постійно контактує з зразком , в поєднанні з диференціюючим RC-елементом (рис. 1.5).
Якщо зонд рухається рівномірно із швидкістю v у напрямі х, то в кожний момент часу t потенціал його буде рівний:
(1.21)
Звідси
(1.22)
Можна показати, що напруга на виході диференціюючого RC-ланцюга при цьому рівна:
(1.23)
або
(1.24)
де під ефективною міжзондовою відстанню розуміється величина
(1.25)
Оскільки в процесі вимірювань S = const, то геометричний чинник G = S/(vRC) визначається виключно конструкційними (кінематичними і електричними) параметрами вимірювальної схеми.
Таким чином, при відповідному підборі величин v, R і С можна зробити Lэфф достатньо малою величиною, але Lэфф < 2r просто позбавлено фізичного змісту, тобто обмеження, пов'язане з протяжністю контакту, зберігає свою силу.
Слід врахувати, що просте зменшення значень параметрів v, R і С не може бути довільним, оскільки вимоги по досягненню потрібної чутливості, високої експресності, малої інерційності вимірювань і т.д. в загальному випадку є взаємно суперечливими.
Наприклад, в промисловому варіанті однозондової установки вимірювання ПЕО оптмальний набір параметрів був таким: v = 600 мкм/мин, R 103 Ом, С = 10 мкФ, що забезпечує Lэфф 10 мкм. Реальну конструкцію двозондової вимірювальної головки з такою міжзондовою відстанню уявити собі важко.