Утвержден и введен в действие

Постановлением Госстандарта СССР

от 28 октября 1983 г. N 5178

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

АРСЕНИД ГАЛЛИЯ И ФОСФИД ГАЛЛИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

И КОЭФФИЦИЕНТА ХОЛЛА

Monocrystal gallium arsenide and gallium phosphide.

Measurement of specific electric resistance

and Hall-coefficient

ГОСТ 25948-83

(СТ СЭВ 3910-82)

Группа В09

ОКСТУ 1772

Разработан Министерством цветной металлургии СССР.

Исполнители: А.В. Елютин, Н.Н. Соловьев, Н.И. Сучкова, В.М. Михайлов.

Внесен Министерством цветной металлургии СССР.

Член Коллегии А.П. Снурников.

Утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 28 октября 1983 г. N 5178.

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 28 октября 1983 г. N 5178 срок действия установлен с 01.01.1985 до 01.01.1990.

Настоящий стандарт устанавливает метод измерения удельного электрического сопротивления, коэффициента Холла и определения типа проводимости, концентрации и холловской подвижности основных носителей заряда для полупроводниковых материалов с удельным электрическим сопротивлением от  до  монокристаллических арсенида галлия и фосфида галлия.

Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 3910-82.

1. СУЩНОСТЬ МЕТОДА

1.1. Определение удельного электрического сопротивления основано на измерении продольного электрического поля  и плотности тока , вызываемого этим полем.

1.2. Определение коэффициента Холла основано на измерении поперечного электрического поля  , возникающего в полупроводнике, помещенном в магнитное поле индукций  при протекании через него тока плотностью  в направлении, перпендикулярном магнитному полю.

1.3. Тип проводимости полупроводникового материала устанавливают по знаку ЭДС Холла в соответствии с черт. 1.

Черт. 1

1.4. Концентрацию и подвижность основных носителей заряда определяют расчетным путем на основании данных по измерению удельного электрического сопротивления и коэффициента Холла.

2. АППАРАТУРА

2.1. Структурная схема установки для измерения удельного электрического сопротивления и коэффициента Холла представлена на черт. 2.

1 - измеряемый образец; 2 - магнит; 3 - источник

постоянного тока; 4 - измерительное устройство;

5 - коммутирующее устройство

Черт. 2

2.2. Требования к элементам структурной схемы в зависимости от параметров измеряемого материала приведены в табл. 1 - 2.

2.2.1. Магнит, обеспечивающий создание магнитных полей изменяемой полярности, должен удовлетворять требованиям табл. 1.

Таблица 1

─────────────────┬─────────────────────┬────────────────┬──────────────────

  Наименование   │   Верхний предел    │ Верхний предел │    Допустимая

    материала    │подвижности основных │   магнитной    │  неоднородность

                 │носителей заряда мю, │   индукции в   │магнитного поля в

                 │       2    -1    -1 │ зазоре магнита │области измерения,

                 │     см  x В   x с   │      B, Т      │   %, не более

─────────────────┼─────────────────────┼────────────────┼──────────────────

                 │             1       │                │

 Арсенид галлия n│       1 x 10        │      1,0       │      +/- 2

и p-типа         │                     │                │

                 │             3       │                │

                 │       5 x 10        │      0,5       │

                 │                     │                │

                 │             3       │                │

                 │       7 x 10        │      0,3       │

                 │                     │                │

                 │             4       │                │

                 │       2 x 10        │      0,2       │

                 │                     │                │

                 │             5       │                │

                 │       1 x 10        │      0,05      │

─────────────────┼─────────────────────┼────────────────┼──────────────────

                 │             2       │                │

 Фосфид галлия n │       2 x 10        │      1,0       │      +/- 2

и p-типа         │                     │                │

                 │             3       │                │

                 │       1 x 10        │      0,5       │

2.2.2. Источник постоянного тока, обеспечивающий создание в измерительной цепи электрического тока изменяемой полярности, должен удовлетворять требованиям табл. 2.

Таблица 2

──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┬───────────────

Верхний предел│Верхний предел│  Допустимая  │   Входное    │Чувствитель-

  удельного   │электрического│нестабильность│электрическое │ность

электрического│  тока I, А   │электрического│сопротивление │измерительного

сопротивления,│              │тока за время │измерительного│прибора, В

 ро, Ом x см  │              │ измерения, % │прибора R, Ом,│

              │              │              │   не менее   │

──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────┼───────────────

         -3   │         -1   │              │        4     │        -6

   1 x 10     │   5 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         -2   │         -1   │              │        4     │        -5

   1 x 10     │   2 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         0    │         -1   │              │        4     │        -5

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         1    │         -2   │              │        5     │        -5

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         2    │         -3   │              │        6     │        -5

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         3    │         -4   │              │        7     │        -5

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         4    │         -5   │              │        8     │        -5

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         5    │         -6   │              │        9     │        -4

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         6    │         -7   │              │        10    │        -4

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         7    │         -8   │              │        11    │        -4

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         8    │         -9   │              │        12    │        -3

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

              │              │              │              │

         9    │         -10  │              │        13    │        -3

   1 x 10     │   1 x 10     │    +/- 1     │      10      │      10

2.2.3. Прибор для измерения электрического напряжения с погрешностью не более 1% должен соответствовать требованиям табл. 2.

2.2.4. Коммутирующее устройство должно обеспечивать проведение измерительных операций с использованием одного измерительного прибора. Значение величины электрического сопротивления изоляции контактов коммутирующего устройства не должно быть менее входного электрического сопротивления измерительного устройства.

2.3. Вспомогательные средства

2.3.1. Держатель образца должен обеспечивать:

перпендикулярность плоскости образца направлению магнитного поля с отклонением от перпендикулярности не более +/- 3°;

возможность проведения измерений при затемнении образца;

соответствие электроизоляционных свойств конструкционных материалов сопротивлению измерительного прибора.

2.3.2. Микрометр или другой инструмент для измерения толщины образца с погрешностью не более  и с погрешностью не более  для измерения толщины d <= 0,06 см.

2.3.3. Прибор для измерения силы электрического тока с погрешностью не более 0,5%.

2.3.4. Прибор для измерения абсолютного значения магнитной индукции с погрешностью не более 2%.

2.3.5. Термометр с погрешностью измерения не более 0,5 К.

3. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ

3.1. Измерения проводят на образцах в виде плоскопараллельных пластин (черт. 3) либо на образцах крестообразной формы (черт. 4).

Черт. 3

Черт. 4

3.2. Измерения полуизолирующего материала с удельным электрическим сопротивлением  проводят на образцах крестообразной формы.

3.3. Требования к характеристикам образцов приведены в табл. 3.

Таблица 3

────────┬───────┬───────┬───────────┬───────────┬──────────┬───────────────

 Форма  │ Длина │Ширина │  Толщина  │Допускаемое│Расстояние│   Отношение

образца │образца│образца│  образца  │отклонение │  между   │   линейных

        │ L, см │ a, см │   d, см   │от средней │контактами│   размеров

        │       │       │           │  толщины  │  1 и 2,  │   контактов

        │       │       │           │образца, %,│ 3 и 4, l │к минимальному

        │       │       │           │ не более  │          │  расстоянию

        │       │       │           │           │          │  между ними,

        │       │       │           │           │          │   не более

────────┼───────┼───────┼───────────┼───────────┼──────────┼───────────────

Пластина│  не   │  не   │ 0,02 - 0,1│  +/- 5    │    -     │      0,1

        │ менее │ менее │> 0,1 - 0,2│  +/- 2,5  │    -     │      0,1

        │  0,5  │  0,5  │           │           │          │

────────┼───────┼───────┼───────────┼───────────┼──────────┼───────────────

        │       │   L   │           │           │L       L │

Крест   │ > 3a  │ < -   │ 0,02 - 0,1│  +/- 5    │- < l < - │       -

        │       │   3   │> 0,1 - 0,2│  +/- 2,5  │4       2 │

4. ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ

4.1. На образец крестообразной формы наносят шесть электрических контактов.

4.2. На образец в виде плоскопараллельной пластины наносят четыре электрических контакта, располагая их на периферии пластины.

Рекомендуется располагать электрические контакты на боковой поверхности пластины (черт. 3).

4.3. Электрические контакты должны обладать:

линейной вольт-амперной характеристикой (результаты измерения не должны зависеть от конкретных режимов измерений);

малым переходным сопротивлением (рекомендуемые методы оценки устанавливаются в зависимости от вида полупроводниковых монокристаллических материалов).

5. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. Измерения проводят при фиксированной температуре. Допускаемое отклонение температуры за время измерения не более 0,5 К.

5.2. Проведение измерений на образцах в виде плоскопараллельных пластин.

5.2.1. Образец устанавливают в держатель и пропускают через него электрический ток, используя одну из двух пар контактов. Фиксируют значение тока I и разности потенциалов U, возникающей на второй паре контактов, в следующем порядке:

, ;

, ;

, ;

, .

5.2.2. Вводят магнитное поле, фиксируют значения тока I, магнитной индукции B и разности потенциалов U в следующем порядке:

, ;

, ;

, ;

, .

Цифровые индексы соответствуют контактам образца (черт. 3). Значения токов при измерениях в пределах одного пункта (5.2.1 или 5.2.2) должны быть одинаковыми; значения токов при выполнении измерений по разным пунктам могут различаться в пределах требования табл. 2.

5.3. Проведение измерений на образцах крестообразной формы

5.3.1. Образец устанавливают в держатель и пропускают через него электрический ток. Фиксируют значения электрического тока в двух направлениях ,  и разности потенциалов U:

;

;

;

.

5.3.2. Вводят магнитное поле, фиксируют значения магнитной индукции B, электрического тока в двух направлениях ,  и разности потенциалов U:

, ;

, ;

, ;

, .

Цифровые индексы соответствуют контактам образца (черт. 4).

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

6.1. Обработка результатов измерений на образце в форме плоскопараллельной пластины

6.1.1. Значения напряжений , , ,  и коэффициенты ,  вычисляют по формулам:

; (1)

; (2)

; (3)

. (4)

При определении коэффициентов  и  делят большую сумму на меньшую, чтобы получить результат более 1.

; (5)

. (6)

При определении значений  и  алгебраически учитывают знаки величин, полученных при измерениях.

6.1.2. Определяют поправочные коэффициенты  и , в соответствии с обязательным Приложением.

6.1.3. Средние значения напряжений  и  вычисляют по формулам:

; (7)

. (8)

6.1.4. Удельное электрическое сопротивление , Ом x см, вычисляют по формуле

, (9)

где I - значение электрического тока, при котором проводились измерения по п. 5.2.1, А;

d - толщина измеряемого образца, см;

- среднее значение напряжения при измерении удельного электрического сопротивления, В.

6.1.5. Коэффициент Холла , см3/Кл, вычисляют по формуле

, (10)

где B - значение индукции магнитного поля, Т;

I - значение электрического тока, при котором проводились измерения по п. 5.2.2, А;

- среднее значение ЭДС Холла, В.

6.1.6. Концентрацию основных носителей заряда N, см3, вычисляют по формуле

, (11)

где l - заряд электрона; ;

r - холловский фактор, принимаемый равным 1.

6.1.7. Холловскую подвижность основных носителей заряда , , вычисляют по формуле

. (12)

6.2. Обработка результатов измерений на образце крестообразной формы

6.2.1. Значения напряжений , ,  вычисляют по формулам:

; (13)

; (14)

. (15)

6.2.2. Средние значения , ,  вычисляют по формулам:

; (16)

; (17)

. (18)

6.2.3. Удельное электрическое сопротивление , Ом x см, и коэффициент Холла , см3/Кл, вычисляют по формулам:

; (19)

, (20)

где ,  - значения электрического тока, вычисленные по формулам (17) и (18), А;

S - площадь поперечного сечения образца, см2: S = a x d,

где d - толщина образца, см;

a - ширина образца, см;

,  - значения напряжений, вычисленные по формулам (13), (16), В;

B - значение индукции магнитного поля в зазоре магнита, Т;

l - расстояние между контактами 1 и 2, 3 и 4, см (черт. 4).

6.2.4. Концентрацию и подвижность основных носителей заряда вычисляют по формулам (11) и (12).

6.3. Результатом измерения удельного электрического сопротивления является величина, вычисленная по формулам (9) или (19).

6.4. Случайная погрешность измерения удельного электрического сопротивления, характеризующая сходимость результатов измерений, не превышает +/- 2% с доверительной вероятностью 0,95.

6.5. Суммарная погрешность измерения удельного электрического сопротивления не превышает +/- 12% с доверительной вероятностью 0,95.

6.6. Результатом измерения коэффициента Холла является величина, вычисленная по формуле (10) или (20).

6.7. Случайная погрешность измерения коэффициента Холла, характеризующая сходимость результатов измерений, не превышает +/- 4% с доверительной вероятностью 0,95.

6.8. Суммарная погрешность измерения коэффициента Холла не превышает +/- 15% с доверительной вероятностью 0,95.

6.9. Суммарная погрешность определения подвижности основных носителей заряда не превышает +/- 15% с доверительной вероятностью 0,95.

Приложение

Обязательное

ЗНАЧЕНИЕ ПОПРАВОЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА f

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

─────────────────────────────────┬────────────────────────────────

              альфа              │               f

─────────────────────────────────┼────────────────────────────────

               1,0               │             1,000

               1,5               │             0,985

               2,0               │             0,960

               2,5               │             0,932

               3,0               │             0,906

               3,5               │             0,882

               4,0               │             0,860

               4,5               │             0,839

               5,0               │             0,821

               5,5               │             0,804

               6,0               │             0,789

               6,5               │             0,774

               7,0               │             0,761

               7,5               │             0,750

               8,0               │             0,738

               8,5               │             0,727

               9,0               │             0,717

               9,5               │             0,708

              10,0               │             0,699

              11,0               │             0,682

              12,0               │             0,668

              13,0               │             0,655

              14,0               │             0,643

              15,0               │             0,632

              16,0               │             0,622

              17,0               │             0,612

              18,0               │             0,604

              19,0               │             0,596

              20,0               │             0,588

              22,0               │             0,574

              24,0               │             0,562

              26,0               │             0,551

              28,0               │             0,541

              29,0               │             0,536

              30,0               │             0,532

              32,0               │             0,524

              34,0               │             0,516

              36,0               │             0,509

              38,0               │             0,503

              40,0               │             0,496

              45,0               │             0,483

              50,0               │             0,471

              55,0               │             0,461

              60,0               │             0,452

              65,0               │             0,444

              70,0               │             0,436

              75,0               │             0,430

              80,0               │             0,423

              85,0               │             0,418

              90,0               │             0,413

              95,0               │             0,408

              100,0              │             0,403

              110,0              │             0,395

              120,0              │             0,388

              130,0              │             0,382

              140,0              │             0,376

              150,0              │             0,371

              160,0              │             0,366

              170,0              │             0,361

              180,0              │             0,357

              190,0              │             0,353

              200,0              │             0,350

              250,0              │             0,335

              300,0              │             0,324

              350,0              │             0,315

              400,0              │             0,307

              460,0              │             0,301

              500,0              │             0,295

              600,0              │             0,286

              700,0              │             0,279

              800,0              │             0,273

              900,0              │             0,268

             1000,0              │             0,263