薄膜测量范文（精选6篇）
薄膜测量 第1篇
一、测量原理
测量薄膜压电特性的基本原理是利用材料的压电效应, 包括正压电效应和逆压电效应。即给薄膜施加应力, 测量产生的电荷 (电压) ;或给薄膜施加电压, 测量产生的应变, 由此推得薄膜的压电系数。
二、薄膜压电系数的测量方法
(一) 激光干涉仪法。
Q.M.Zhang等研制单束光学干涉仪。对于厚度为0.1~1μm的压电薄膜, 测量时由于位移量一般在10-10~10-12m量级, 因此需提高干涉仪的分辨率。J.F.Li等人把上述系统进行了改进, 其测量方案如图1。基本工作原理是:用一反馈系统调节干涉仪臂长, 使之处于最灵敏的探测位置, 即π/2条件。这样, 以较小的交流电压所产生的位移能导致光探测器测得的光强发生较大的变化。经锁相放大后可获得极好的位移分辨能力。用这套系统可测量复压电常数随频率和电场的变化。
然而, 不容忽视的是单束干涉仪测量薄膜的压电响应受衬底弯曲的影响。为了抑制这种弯曲效应, Kholkin等人采用高分辨双束光学干涉仪, 使得灵敏度大大提高, 测量系统如图2所示。
输出电压与位移量的关系为:
采用这套系统可测量PZT膜的压电响应随电场、频率和时间的变化关系。
(二) 扫描隧道显微镜法。
扫描隧道显微镜 (STM) 是在原子级上研究表面形貌强有力的工具, 它具有极高的垂直和横向分辨率, 测量的基本思想很简单, 即在薄膜上加一电场, 导致薄膜厚度变化, 这种厚度变化由STM测量。STM工作在恒流模式, 给薄膜加一频率为20Hz的三角波电压Vd, 通过反馈电路使隧道电流恒定。悬臂针尖能准确地反映表面的运动, 通过锁相放大测反馈信号的大小, 可直接观察垂直于样品表面的振动幅度, 因而能得到各微区的压电常数d33。经扫描可得到压电系数的横向分布。
STM也工作在恒流模式, 用反馈系统使压电扫描管补偿样品厚度的变化, 由已知STM扫描器的特性, 可得到膜厚的变化, 从而求出压电系数。
施加于样品上的电压与压电系数之间有如下关系:
这种测量, 其分辨率受STM的垂直分辨率及能施加于压电膜的最大电压 (无击穿时) 两者决定。
(三) 垂直加载法。
垂直加载法利用正压电效应测压电系数, 测量原理如图4。样品具有平板电容器结构, 即P1底电极, PZT膜, 上电极为金属针尖。加力于金属针尖上, 产生电荷Q。将一电容量远大于样品电容的电容器Cm与样品并联连接, 用高输入阻抗电压表测量Cm两端的电压, 可得到Q值, d'33由下式算出:
力F由重物或弹簧加在面积为1mm2的金属针尖上, 大小在0~20N, 由一机械导轨保持力的方向垂直于样品表面, 针尖头表面抛光, 以使应力作用均匀。
该法的测量精度受:薄膜的漏导导致电荷量减小;电学噪声的存在等制约。但垂直加载法测薄膜的d33系统简单, 易于实现。
三、方法比较和结论
上述测量薄膜压电系数的方法各有优缺点。单束激光干涉仪测量分辨率高, 但受衬底弯曲效应的影响;双束激光干涉仪测薄膜的压电系数更准确, 更接近真实数据。但灵敏度虽高, 空间分辨能力却较差, 其空间分辨率由激光光斑大小决定。STM测薄膜的压电系数有很高的空间分辨率。而垂直加载法测量系统更简单, 易于实现。
采用激光干涉仪测薄膜的压电特性, 其结果合理可靠, 是一种行之有效的方法;而垂直加载法系统简单, 易于实现, 但可靠性较差;用STM测薄膜的压电特性, 是一种良好的补充。
摘要：压电薄膜在微传感器和微致动器方面的应用日益受到重视。薄膜压电性能的测量方法与体材相比有很大不同。本文介绍了几种测量薄膜压电特性的方法, 包括:激光干涉仪法, 扫描探针显微镜法, 垂直加载法等, 并比较了这些方法的优缺点。
薄膜测量 第2篇
激光辐照TiO2/SiO2薄膜损伤时间简捷测量
为了测量激光辐照薄膜的起始时间,采用了一种简洁易行的测量方法,利用波长1.06μm和1.315μm连续激光以及1.06μm单脉冲激光辐照典型薄膜光学元件,通过探测器接收激光脉冲信号和薄膜表面的激光反射信号,薄膜表面反射信号在激光辐照过程中的某个时刻发生突变,发生突变的时间对应着薄膜发生损伤的时间.得到1.06μm连续激光强度为7133W/cm2时,反射信号在0.8s发生突变,强度为11776W/cm2时,反射信号在0.4s发生变化;1.06μm单脉冲激光能量为48.725mJ,97.45mJ,194.9mJ时,薄膜损伤时间为3.63ns,2.727ns和1.09ns;1.315μm连续激光强度为2743W/cm2时,反射光信号在辐照时间t=3.44s发生突变;强度为4128W/cm2时,薄膜表面反射光信号在辐照时间t=1.44s发生突变.结果表明,通过测量薄膜表面反射信号的`突变来确定薄膜损伤的起始时间,对于薄膜抗激光加固,以及提高光电系统的抗激光能力有着重要的意义.
作 者：周维军 袁永华 桂元珍 ZHOU Wei-jun YUAN Yong-hua GUI Yuan-zhen 作者单位：中国工程物理研究院,流体物理研究所,绵阳,621900刊 名：激光技术 ISTIC PKU英文刊名：LASER TECHNOLOGY年，卷(期)：31(4)分类号：O484.5关键词：薄膜 激光 时间测量 损伤
薄膜测量 第3篇
【关键词】塑料薄膜；直角撕裂强度；测量不确定度
直角裂强度是测定塑料薄膜耐撕裂性能的试验方法，对试样施加拉伸负荷，使试样在直角口处撕裂，测定试样的撕裂强度[1]，是考核塑料薄膜物理性能的一个重要指标。
一、试验部分
试验依据：QB/T 1130-1991《塑料直角撕裂性能试验方法》。试样形状和尺寸如下图所示，试验速度：200mm/min，样品为聚乙烯热收缩薄膜，在23℃、52%恒温室预处理8h以上。
二、测量不确定度的评定
测量不确定度由若干分量组成，其中一些分量可根据一系列测量值的统计分析，按测量不确定度的A类进行评定，另一些分量则根据经验或其他信息获得的概率密度函数，按测量不确定度的B类进行评定，均用标准偏差表征[2]。本文按照GUM法评定塑料薄膜直角撕裂强度的测量不确定度。试验环境为23℃，52%恒温恒湿室，温湿度较稳定，对试验结果的影响忽略不计；测量过程中引入的不确定度主要来源于：测量的重复性、试样厚度测量的精度、直角撕裂强度测量的精度、测量结果的数据修约。
1.A类评定
2.B类评定
2.1厚度测量的精度
测量厚度使用的是ZWICK G30001薄膜测厚仪，根据校准证书，示值误差不确定度为0.2μm，k=2，故其相对标准不确定Urel 3==0.11%
2.2直角撕裂强度测量的精度
试验仪器为Zwick Z005电子万能材料试验机，根据校准证书，精度符合0.1级，按均匀分布考虑，k=， Urel 2=0.1/=0.06%
2.3数值修约的标准不确定度
根据标准修约要求，精确到0.1kN/m，按均匀分布考虑，k=，U4=0.1/=0.06kN/m，其相对不确定度为Urel 4=0.06/170.0=0.04%
3.合成标准不确定度
相对合成标准不确定度：Urel===0.14%，则合成标准不确定度：UC=170.0×0.14%=0.238kN/m
4.扩展不确定度的評定
扩展不确定度是确定测量结果区间的量，合理赋予被测量值分布的大部分可能分布区间，是由合成标准不确定度与包含因子的乘积来计算。在置信概率95%时，取包含因子k=2，则扩展不确定度为：U=k×UC=2×0.238=0.476kN/m
三、结果报告
测量这批次聚乙烯热收缩薄膜的直角撕裂强度，测量结果有95%概率处于（170.0±0.238）kN/m范围内，当检测单位出具检测结果时，取5个纵向样品直角撕裂强度测量结果的算数平均值作为报告结果时，其扩展不确定度为0.238kN/m，包含因子k=2，置信水平为95%。
参考文献
[1]QB/T 1130-1991《塑料直角撕裂性能试验方法》.
[2]JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》.
薄膜测量 第4篇
关键词：薄膜厚度,测量系统,电路设计
一、引言
随着包装、印刷等行业的快速发展, 各行业对高质量薄膜的需求与日俱增, 厚度均匀性是塑料薄膜产品的重要指标。因此, 设计一种实现薄膜厚度在线监测的高精度检测系统, 对薄膜的高质量生产具有重要意义。在多种无损检测中, 鉴于电容测厚法具有结构简单、动态响应好、灵敏度高、适应性强等优点, 本设计采用德国AMG公司的CAV414电容给传感器, 设计了一套薄膜厚度在线监测系统。
二、测厚系统设计
(一) 测厚系统原理框图
薄膜测厚系统的整体结构框图如图1所示。电容传感器测量电路可以得到与厚度相关的电压值。再经信号检测处理电路送入A/D转换器, MCU控制着信号的采集及数据处理算法的实现, 送入微处理器进行处理后就可以得到当前的薄膜厚度, 并送到显示部分进行显示, 控制部分可以实现人机的交互, 要想实现对不同薄膜材料的厚度测量, 只需设置不同的介电常数即可。
三、系统各个硬件模块设计
(一) 精密信号源电路设计
1. 精密信号源电路。对于一个容性网络, 如需在电容上产生特定的电抗, 需先设计一个精密信号源电路, 产生交流激励信号。本系统设计了基于AD9850的信号发生电路。其电路原理图如图2所示。
2. 正弦信号放大电路。
AD9850电流输出端仅支持最大幅度为1.5V左右的输出信号。因此, 为保证激励信号的输出电压幅度足够大, 足够强驱动能力, 需要设计电压信号放大和阻抗匹配电路。为减少噪声干扰本设计采用两级放大, 如图3所示。
(二) 有效值转换电路设计
因在电压激励测量模型中, 需要测量有效电压值Uo。设计了RMS-DC电路将交流电压信号转换为直流电压信号, 再经模数转换器 (ADC) 进行数据采集, 交与控制器处理。选用ADI公司的AD637作为RMS-DC转换电路的核心芯片[1,2]。RMS-DC电路的原理图如图4所示。
Vout为正弦电压信号的有效直流电压量, 直流电压Vout经过一个由AD823组成的有源二阶滤波电路后可得到较为纯净的直流电信号。该有源滤波电路为Sallen-Key电路[5,6], 故其截止频率f0为
(三) A/D转换模块设计
电容传感器将薄膜厚度信号转换成电信号经差分放大电路, RMS-DC电路, 滤波电路处理后, 送入A/D转换器进行转换。设计原理图如图5所示。
图5中, ADC驱动器将有源滤波器输出的信号送入ADC芯片。因薄膜测厚系统需具有很高的测量精度, 故在选用ADC时应选择高分辨率、差分输入的ADC来进行模-数转换。最后系统中MCU协调控制着模块数据采集, 数据的处理及实时显示。
四、实验结果及分析
本实验采用相同材料不同厚度的标准薄膜进行测试, 结果如表1所示。
数据表明, 该系统对薄膜厚度的微小变化具有较高的监测精度。
五、结论
本文设计了一种基于电容传感器的薄膜厚度测量系统, 由电容传感器、信号调理电路、A/D转换电路模块、显示电路及测温调整电路组成, 解决了寄生电容和环境变化对转换电路的影响, 该测量系统工作稳定, 精度满足工厂实际需求。
参考文献
[1]陈倩.塑料薄膜和片材厚度测量——机械测量法试验方法分析[J].中国塑料, 2001, 115 (1) :62-66.
[2]李成华, 栗震霄, 等.现代测试技术[M].北京:中国农业大学出版社.2001:86-88.
[3]内山明治, 村野靖.运算放大电路[M].北京:科学出版社, 2009:107-108.
薄膜测量 第5篇
由于锂离子电池薄膜电极的涂层厚度对其电化学性能的影响非常重要,极片厚度太厚时,容易使电池内活性物质量减少,造成电池的容量降低;极片厚度太薄时,容易造成电池内的活性物质量增加,极片表面有效面积减少,造成活性材料的浪费和大电流等问题[1]。因此在锂电池的生产过程中必须严格控制电极涂层的厚度。由于其测量存在一定的难度,所以在工业生产中,很多利用人工采用千分尺进行测量,这样容易造成效率低、误差大,产生废品率高的缺点。近几年来随着测量技术、控制技术等的发展,工业中也逐渐采用现代化的自动检查设备来取代人工操作。本文在前期研究的基础上将光学测量技术与嵌入式控制技术相结合,结合伺服控制技术、智能控制等多项技术,设计开发了一种基于双因子免疫控制的锂电池电极厚度测量系统来满足并实现锂电池电极薄膜厚度的动态、非接触、高精度的测量要求。
1 系统描述
1.1 测量系统的工作原理
图1为测量原理图,系统工作时,通过实时控制两滚筒A,B的中心来控制炭粉涂层的厚度。分别对称安装在涂有炭粉的铜箔生产线的D点的正上下部位的CCD(LK-031)传感器来监测碳粉涂层的厚度。上下滚筒A、B的中心是通过采用两个伺服电机来控制。由于CCD传感器的前后运动不需要太多的考虑精度问题,故两个CCD传感器的前后移动采用一个步进电机同时来驱动,以不断测量涂层前后部位的厚度。CCD激光位移传感器(LK-031;测量精度在0.1μm)将测量计算得到的碳粉涂层厚度数据通过A/D反馈给主控制器,主控制器将其与预期值相比较作为控制信号,经过解算控制相应伺服电机做出相应的运动,控制器通过电流环。速度环和位置环来控制电机,调节滚筒A、B中心的相对位置,从而达到控制涂层厚度。
1.2 系统硬件组成
图2为硬件设计结构图。其中由主从控制器AT92SAM9263+FPGA及其外围电路、CCD传感器信号的A/D采样与处理单元、两个伺服电机组成的伺服驱动机构以及反馈单元、步进电机的控制与驱动单元、LCD人机接口单元等组成,主处理器(AT92SAM9263)的主要工作是完成测量数据的滤波、运算、通过解析发出控制信号给FPGA,把实时检测结果、系统状态信息发送并控制LCD显示。FPGA控制两路A/D转换、电机的控制以及与AT92SAM9263之间的数据交换等工作。
1.3 厚度测量单元
厚度测量单元主要由2个CCD激光位移传感器LK-031、高速A/D采集电路、以AT92SAM9263为核心的控制处理器组成。
1.3.1 测量原理
如图1所示,两个CCD激光位移传感器LK-031分别对称的安装在涂有炭粉的铜箔生产线D点的正上下部位。如图3所示,假设安装于上面的LK-031可以测定铜箔上表面距基准(距离上传感器LK-03正下方的25 mm)的位移s1,安装于下面的LK-031可以测量铜箔下表面距基准(距离下传感器LK-03正上方25 mm)的位移s2,假设δ表示铜箔的厚度,则涂粉炭层的厚度为s1+s2-δ。在测量的过程中,当生产线下移Δs后,则D点上面的LK-031可以测定铜箔上表面距离基准的位移为s1-Δs,而安装在D点处下面的LK-031可以测量生产线上的铜箔下表面距基准的位移为s2+Δs,此时计算出涂炭涂层的厚度为(s1-Δs)+(s2+Δs)-δ=s1+s2-δ,可以看出,其涂炭层的厚度没有变化,而当铜箔下移的时候,同样的道理,得出的结论是一样的。通过这种方式的检测,可以实现锂电池薄膜碳粉涂层的非接触动态测量。
1.3.2 数据采集与控制电路
以ARM处理器和FPGA及其外围电路为核心的设计构成了系统的控制单元部分。系统采用AT92SAM9263芯片作为信号处理与控制;AT92SAM9263是ATMEL公司推出的一款基于SAM9,带DSP和JAVA硬件加速用于工业控制的处理器,它基于ARM920T内核,工作运算速度可高达200MIPS。为了满足高速数据采集的需要,数据采集部分选用高精度18位600 K的SAR数模转化芯片AD7654。
1.4 伺服驱动单元与控制
本系统需要实现滚筒距离的调节以及激光位移传感器的前后移动,故由两个伺服电机以及1个步进电机组成,两个伺服电机控制是相同的,在控制上彼此是互相独立的。伺服电机控制采用脉冲加方向控制方式,FPGA通过NCO算法产生所需要的高精度脉冲频率。FPGA通过计数器计脉冲的个数,脉冲的个数对应AB滚筒调整的位移,脉冲的频率对应AB滚筒调整的速度,可以实现AB滚筒的平稳、快速、高精度控制。步进电机的控制方法类似。
2 控制器的设计
免疫控制是一种不依赖于被控对象的数学模型的新型实用的控制技术,具有很强的适应性和鲁棒性。由于生物界杀伤因子对于抗原的作用效果类似于控制系统中的控制量对于偏差的控制作用,故根据免疫反馈机理推导出杀伤因子消灭抗原的控制数学模型,将其引入工程控制领域中,并且使用双因子调节的免疫算法对本检测系统进行控制。在控制过程中,假设控制系统的偏差e(t)是抗原I(t),被控对象的控制量u(t)是杀伤因子K(t)。在免疫反馈控制中:设I(t)表示t时刻抗原的数量,R(t)表示t时刻识别因子的数量;K(t)表示t时刻杀伤因子的数量。抗原在机体内复制自身的速率a>0,μ>0为自然死亡率,λ>0为杀灭抗原造成的死亡率,β、k、η分别为比例系数,则得到双因子反馈调节的免疫控制器的方程[2]为
这里根据传感器采集到的数据,将其与目标值进行比较得出偏差E和偏差变化量ΔE替代上式中抗原I(t)以及其变化量送入免疫控制器中,则被控对象的控制量u替代杀伤因子K(t)对电机进行实时的控制。
3 软件设计
软件设计主要包括操作系统的移植以及应用程序设计两大部分。由于μC/OS-II具有开放源代码以及实时性、支持多任务等特点,本系统采用它作为操作系统。其移植是通过修改与处理器相关的宏定义和函数,并将其移植到AT92SAM9263上即可。同时为了实现时间的延迟与超时等功能,μC/OS-II要求提供一个周期性的10～100次/秒时钟源,这通过设置AT92SAM9263内集成的16位减法计数器产生定时中断,给μC/OS-II提供50次/秒时钟节拍,来满足此功能。
根据任务的重要性,将系统应用程序设置于系统最上层,根据功能需要,应用程序被划分为数据滤波、控制算法、电机控制、数据显示等主要任务,在这些任务中,数据采集滤波是系统运行的前提,所以位于任务的最高级。除了这些任务,系统软件还包括有初始化程序、中断服务程序、通信程序。这不属于任何任务,是完全独立、并行的。其中初始化程序工作于系统开始工作时,首先初始化CPU,再初始化操作系统,主要进行任务控制块(TCB)以及其优先级的初始化等工作后,进行新任务的创建,启动多任务调度以开始工作。在系统正常控制状态下,定时中断程序模块主要完成系统的控制、检测工作;通讯程序模块主要完成数据的交换工作,当系统正常运行时,构成一个简单的多任务系统。图4为应用程序主流程图。首先设定厚度预设值,然后启动AT92SAM9263的定时器2,以20 ms为一个控制周期,则进行采集CCD测量数据,计算误差是否小于期望误差值,并判断误差的来源,以进入控制算法实现相应电机的控制。
4 测量实验与结果
根据以上方法设计并完成了基于人工免疫反馈的锂电池薄膜碳粉厚度测量系统,并且在工业中进行了锂电池碳粉厚度的涂层厚度的现场测试,测试时涂层要求的标准厚度是0.135 mm,检测取出150个左右样本的厚度值做了测量并将其绘制成曲线如图5所示。从图中的曲线可以看出,测量与期望值之间的偏差在±0.01 mm的范围之内,这种结果是可以满足工厂的生产要求。
5 结论
本文针对锂离子电池薄膜电极的涂层厚度在工业测量中高精度、动态、非接触的测量要求,采用CCD测量技术,嵌入式控制技术等提出并设计了一种基于双因子免疫控制的锂电池电极厚度测量系统,改善传统通过手工测量的不足。通过实测结果显示,该系统可以将其测量精度稳定在±0.01 mm范围内,这是能够满足实际的需要。
参考文献
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薄膜测量 第6篇
半导体锗薄膜材料在信息功能元器件、电子工业、合金预处理、光学工业等领域具有广泛的应用。掺有微量特定杂质的锗薄膜可用于制造各种晶体管、整流器及其他器件,还可以应用于制造太阳能电池、热敏电阻、薄膜电阻、半导体温度计等。锗的化合物还可以用来制荧光板及各种高折光率玻璃。随着红外技术的迅速发展,具有良好的透红外特性的金属锗越来越广泛地被应用于热成像、成像跟踪、红外前视、红外夜视等红外仪器的光学系统中。
通过在电流的垂直方向加以磁场就可以在同电流和磁场都垂直的方向上产生一个电势差,这种现象称为霍尔效应。霍尔效应是1879 年霍尔在研究导体在磁场中受力的性质时发现的,霍尔效应对分析和研究半导体材料的电学特性具有十分重要的意义。通过霍尔效应测量不仅可以计算霍尔系数RH、判断半导体材料的导电类型、计算载流子浓度及迁移率μH (或电导率σ),还可以计算半导体的禁带宽度Eg及杂质电离能Ei。此外,基于霍尔效应的半导体霍尔器件、霍尔集成电路在电磁场的检测及自动控制等方面已得到了广泛的应用[1,2]。
本文通过浅掺杂n型锗薄膜样品变温霍尔效应测量,根据对实验数据曲线的分析得到半导体样品的电学参数,如禁带宽度Eg及杂质电离能Ei,并对计算结果进行分析。
2 变温霍尔效应实验原理
本实验的磁场强度为200mT,由励磁电源提供。实验中样品恒流选用1mA,样品恒流换向和磁场换向由计算机控制自动完成。实验时先把样品放入液氮罐内降温至液氮温区,然后迅速提出并放置在样品槽内,实验过程中当样品升温至室温附近时打开样品加热电流,使得样品温度在77~400K之间连续变化,实现变温测量。
变温霍尔测量方法如图1所示。锗薄膜材料样品规格a×d×l。其中M、N为电流端的欧姆接触点,而A、P和C、D则是测量电压的接触端,A、C用来测霍尔电压VH,A、P点或C、D点用来测电导电势Vσ。数据处理中应用的公式如下[3]:
undefined(或undefined(1)
undefined
其中,由公式(1)计算霍尔系数RH和判断半导体导电类型,由公式(2)计算半导体的电导率σ和霍尔迁移率μH。
在从低温到高温的变温过程中,半导体的导电机制、或者说载流子的产生会发生改变,杂质电离和本征激发,这2种载流子产生机制哪一种起主导作用取决于所处的温度。根据变温情况下半导体的导电特性,一般把半导体的变温曲线分为三个区,一个是高温的本征导电区,一个是低温的杂质电离区,两者之间是饱和电离区。
高温本征导电区属于电子空穴混合导电,载流子浓度与温度关系起主导作用。由经典玻尔兹曼统计有:
n=p=(NcNv)1/2exp(-Eg/2kT)
=AT3/2exp(-Eg/2KBT) (3)
其中Nc、Nv分别为导带、价带有效状态密度,KB是玻尔兹曼常数。
此时有:
RH=BT-3/2eEg/2KBT (4)
高温时T-3/2项对RH的影响远小于eEg/2KBT项的影响,因而RH与T关系近似为:
RH=B'eEg/2KBT (5)
上面各式中的A、B、B'均为常数。由此,可以根据lg(|RH|)-1/T曲线高温本征导电温区的斜率,应用下面公式来计算禁带宽度Eg:
undefined
式中KB为玻尔兹曼常量,lge=0.4343。
在低温杂质电离区,霍尔系数与温度的关系:
R=CT-3/4eEi/2KT (7)
其中C为常数。所以,由lg(|RH|T3/4)-1/T曲线低温杂质电离区的斜率就可以确定电离能Ei。
undefined
实验时在样品上加磁场Bz和通电流Ix,则y方向两电极间产生霍尔电位差VH,在霍尔系数RH的测量中,由于热磁副效应以及电极不对称等因素会产生附加电压。这些热磁副效应及电极不对称等因素有:
(1)爱廷豪森(Ettinghauson)效应:载流子在洛仑兹力和电场力(如图1所示)作用下沿y轴两侧偏转,其动能将转化为热能,使两侧产生温差。由于电极和样品不是同一种材料,电极和样品形成热电偶,并产生温差电动势VE。VE∝Ix·Bz,方向与电流I及磁场B方向有关;
(2)能斯脱(Nerust)效应:当x方向通以电流,由于两端电极与样品的接触电阻不同而产生不同的焦耳热,致使x方向两端温度不同形成热流Qx,沿温度梯度方向扩散的载流子受到Bz作用而偏转并在y方向上建立电势差VN。VN∝Qx·Bz,方向只与B方向有关;
(3)里纪-勒杜克(Righi-Leduc)效应:当热流Qx沿x方向流过样品,载流子将由热端扩散到冷端,与爱廷豪森效应相仿,在y方向产生温差,引起产生温差电势VRL,VRL∝Qx·Bz;
(4)电极位置不对称产生的电压降V0:由于y方向的测量电极不处于理想的等位面上,使得在A、B两电极间也存在一个如图2所示的不等位电势,并引起的欧姆压降V0=Ix·R0,方向只与Ix方向有关。其中R0为A、B两电极所在的两等位面之间的电阻;
(5)样品所在空间如果沿y方向有温度梯度,则在此方向上将产生温差电势VT。VT与I、B方向无关。
为了消除这些附加电压所产生的测量误差,一般采用改变磁场B方向和样品恒流方向的方法,测出4组数据:
加+B、+I时,V1=+VH+VE+VN+VRL+V0+VT
加+B、-I时,V2=-VH-VE+VN+VRL-V0+VT
加-B、-I时,V3=+VH+VE-VN-VRL-V0+VT
加-B、+I时,V4=-VH-VE-VN-VRL+V0+VT
由以上4式可得霍尔电压VH[4,5]:
undefined
因为VE远小于VH,因此可以近似认为VAC等于VH。
3 n型锗半导体薄膜电学特性
n型浅掺杂锗薄膜样品长l=6mm、宽a=4mm、厚b=0.6mm。首先在常温T=300K的条件下分别测量了样品的霍尔系数、电导率、载流子浓度及霍尔迁移率。结果为:RH=-8.2×103 (cm3/C),σ=0.28(Ω*cm)-1,n=8.97×1014(cm-3),μH= 2350(cm2/V·S)。σ很低说明了这是浅掺杂高阻n型锗样品。
在77~400K温度范围内,通过改变磁场方向和样品恒流方向得样品4组,变温霍尔电压如图3所示。
图3 中V1和V2,V3和V4基本关于x轴对称(对称轴偏离x轴约0.3mV),这说明由能斯脱效应所产生的电势差VN、里纪-勒杜克效应所产生的电势VRL以及温差电势VT等附加电势较弱。而V1和V2在T=336K处相交,这意味着此时V0=-VH-VE≈-VH=2.6mV,说明随着温度增加到336K以上时,霍尔电压VH将减弱到与V0相比拟的程度。
图4给出了材料的半对数lg(|RH|)-1/T曲线,图中在350K以上出现明显的线性关系,说明350K以上高温区是样品的本征导电区,此时由lg(|RH|)-1/T曲线的本征导电区斜率,由公式(6)求出该浅掺杂锗样品的禁带宽度Eg=0.75eV。与文献参考值0.72eV[6,7]接近。
另外,由半对数lg(|RH|)-1/T曲线,还可以得到载流子在晶体内运动时所受到的散射机制,根据图4的杂质饱和电离区,也就是在350K~145K温区内,半对数曲线与x轴不平行的现象,得出这是以晶格散射为主的高阻样品。也就是说电子在晶体中的运动主要受到晶格散射的影响,因此霍尔因子取3π/8,霍尔系数计算公式修正为undefined。
浅掺杂锗薄膜的lg(|RH|T3/4)-1/T曲线如图5所示,从图中得知,145K以下温区是杂质电离区,表现为lg(|RH|T3/4)与1/T具有明显的线性关系。lg(|RH|T3/4)随着1/T的增加(即降低温度)而缓慢减少。这说明了在低温杂质电离区,降低温度对杂质的电离产生的影响较弱。在此温区内,根据公式(8)求出该浅掺杂锗样品的施主杂质电离能Ei=0.012eV,这一结果与文献参考值Ei=0.0127eV非常接近[8,9]。
4 结论
介绍了变温霍尔效应测量半导体电学特性的方法。采用变温霍尔效应测量方法,在77K~400K温度范围内测量了浅掺杂n型锗薄膜样品的电学特性参数。变温lgRH-1/T曲线表明,350K以上高温区是样品的本征导电区,由该区的斜率计算得到禁带宽度Eg=0.75eV。变温lg(|RH|T3/4)-1/T曲线表明145K以下温区是杂质电离区,由该区的斜率计算得到施主杂质电离能Ei=0.012eV,实验结果与文献中参考值接近。以上结果表明,采用上述方法可以准确测量半导体的电学特性参数。
摘要：采用变温霍尔效应方法测量了浅掺杂n型锗薄膜的半导体电学特性。根据77K400K温度范围内的变温霍尔效应测量,通过对实验数据曲线的分析,由lg(|RH|)-1/T曲线高温本征导电温区的斜率计算得到样品禁带宽度Eg=0.75eV,由lg(|RH|T3/4)-1/T低温杂质电离区的曲线斜率得到施主杂质电离能为Ei=0.012eV。
关键词：浅掺杂n型锗薄膜,变温霍尔效应,禁带宽度,杂质电离能
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