METODE DE MASURARE PENTRU MARIMILE ELECTRICE DE MATERIAL
Masurarea rezistivitatii
Metode de masurare a rezistivitatii:
Metoda directa
Metoda celor doua sonde
Metoda celor patru sonde
Metoda rezistentei distribute (Spreading)
Diverse metode
1) Metoda directa de masurare a rezistivitatii
Este o metoda care necesita un numar mare de discutii.
Primul lucru pe care trebuie sa-1 discutam este prepararea probei. Mai intai trebuie sa prelucram o proba cu o forma geometrica regulata, de preferinta un paralelipiped (o forma geometrica la care se poate masura usor lungimea, latimea, etc) pentru a calcula usor ariile suprafetelor.
Cum putem prepara o astfel de proba? Intotdeauna vom folosi un semiconductor cristalin. Mai intai avem nevoie de o masina de taiere cu disc diamatant si cu sistem goniometric de prindere a probei. Discul diamantat are o coroana circulara pe care este depus un strat ce contine pulbere de diamant (pulbere de diamant cu granulatie de ordinul microni 616q1622g lor sau chiar mai mica).
Discul diamantat poate fi de doua feluri :
Discul diamantat exterior:
Discul diamantat interior:
Discul este prins/fixat intr-un dispozitiv
Zona diamantata :
Discul diamantat interior asigura o precizie de taiere mult mai buna decat cel exterior. Acest disc nu are un ax propiu.
Sistemul gonometric este sistemul care asigura in mod reproductibil orientarea cu precizie a probei.
Dupa taiere, calitatea suprafetei probei este foarte proasta si de aceea avem nevoie si de slefuire pentru indepartarea stratului degradat mecanic de la suprafata. Slefuira se face cu pulbere abraziva. Initial folosim un abraziv cu granulatie mare, pe urma un abraziv cu granulatie fina si la sfarsit unul cu o granulatie foarte fina. Dupa slefuire urmeaza un tratament chimic, o corodare. Daca dupa slefuire suprafata are un aspect mat (laptos) dupa tratamentul chimic are un aspect lucios.
Mai departe trebuie sa plasam pe doua suprafete opuse contacte electrice. Acest lucru se poate realiza prin mai multe procedee:
depunerea unui strat metalic prin evaporare si depunere in vid ;
folosirea unei solutii coloidale cu pulberi metalice incluse (de exemplu: pasta de argint - este cea mai ieftina pasta iar argintul este eel mai bun conductor).
.
O metoda de a face un contact foarte bun este utilizarea mai multor straturi metalice succesive - tip sandwich.
Titanul are o foarte buna aderenta pe siliciu, iar argintul are o foarte buna aderenta pe titan. Intre titan si argint se introduce un strat foarte subtire de paladiu (0,1 microni) pentru a impiedica argintul si titanul sa interactioneze in timp (de ordinul anilor).
O alta metoda este tehnologia de "plus-are". Se difuzeaza pe suprafata materialului semiconductor o impuritate dopanta de acelasi tip cu impuritatea care asigura conductia pe materialul respectiv dar la o concentratie mult mai mare.
Daca dopam puternic o regiune la suprafata, prin realizarea contactului redresor se obtine o dioda tunnel.
Masuram cu un Ohmetru rezistenta totala :
R = Rc1 + Rc2 + RpTrebuie indeplinite experimental urmatoarele conditii:
RC1,RC2<<Rp
RC1 - rezistenta contactului 1
RC2- rezistenta contactului 2
RP- rezistenta probei
S - aria suprafetei laterale a probei
1 - lungimea probei
Avem mai multe erori:
-eroare de masurare a rezistentei probei ;
-erorile de masurare a dimensiunilor probei ;
-eroarea de constructie a probei.
Eroarea de masura este foarte greu de estimat (datorita incertitudinii privind rezistenta de contact).
Aceasta metoda de masurare a rezistivitatii este cea mai proasta din punct de vedere al preciziei, dar este cea mai versatila (o putem folosi mereu cand nu avem alte metode disponibile).
Precizia de masura este legata de realizarea probelor de o dimensiune potrivita si cu contacte cat mai bune. Cu cat precizia este mai mare cu atat restrictia asupra probei creste.
Date experimentale :
Proba Si : latime : 2,800 mm (masurata cu sublerul)(=0,28cm)
grosime : 0,240 mm (masurata cu micrometrul)(=0,024cm)
0,236 mm (masurata cu microcomparatorul)(=0,0236cm)
lungime : maxima : 27,5 mm (=2,75cm)
la grosime constanta : 19,3 mm (=1,93cm)
d = distanta dintre contacte = 24,1 mm (=2,41cm)
S = aria sectiunii transversale
ρ = 7,5(cmΩ) ; ρ = rezistivitate
2)Metoda celor 2 sonde
Lungimea L trebuie sa fie mult mia mare decat
dimensiunile sectiunii barei respective.
Pentru sectiune dreptunghiulara, L>>l1,l2.
Sondele trebuie construite dintr-un material conductor si dur
bine ascutite in partea in unde face contact cu materialul semiconductor.
Forma sondelor poate fi cilindrica cu varf conic sau prismatica(lama de cutit sau de topor, ca forma)
.
j = denstiotate de curent
ρ = rezistivitate
Metoda celor 2 sonde ste metoda de masura cea mai precisa pntru masurarea rezistivitatii; este independenta de contactele prin care se injecteaza curentul.
Dezavantaje :
Cand rezistenta interna a voltmetrului este prea mare, acesta devine foarte sensibil la paraziti
-circuitul echivalent
La rezistivitati mari, incep sa apara probleme.
Date experimentale :
Raza varfului sondelor = 0,04 mm = 0'0016"
d = 0,89 mm = distanta dintre sonde
sonda 1 
sonda 2 d12=160div
sonda 2 sonda 3 d23=136div
=
147div
sonda 3 sonda 4 d34=145div
etalonare :
scala etalon : 320div
scala : 2mm
Masurarea tensiunii :
U = 26,3 V I = 32,2 mA
I = 20 mA U = 40,13 V
U = 4,1 mV V = 6,8 mV
3) Metoda celor 4 sonde
Cunoasterea rezistivitatii unui cristal siliconic este o cerinta importanta a materialelor. Aceasta metoda de testare descrie o procedura ce duce la comaprarea interlaboratoriala a rezistivitatii probei de silicio la temperature camerei.Precizia asteptata depinde atat de rezistivitatea probei cat si de omogenitatea acesteia.
Aceasta metoda intentioneaza sa fie folosita pe un singur crystal de siliciu in forma de proba circulara cu un diametru mai mare de 5 cm si o grosime mai mica decat 0,5 m. Corectia geometrica a factorilor este necesara pentru aceasta masurare si sunt disponibile in forme tabelare.Aceste standarde nu se adreseaza la toate probele sigure , daca oricare dintre ele este asociat in folosire. Este responsabilitatea executantului ca acest standard sa stabileasca limitele de siguranta si practicile sanatoase si determinarea aplicabilitatilor regulatorii limitarii prioritare de folosire.
Aceasta metoda elimina necesitatea unor probe cu o geometrie foarte bine definita. Pentru a aplica metoda, proba trebuie sa aiba doua suprafete plane (plan-paralele) si trebuie cunoscuta numai grosimea probei.
A fost pusa la punct la inceputul sec. XX in domeniul geofizicii pentru masurarea rezistivitatii pamantului.
Sistemul de masura, prezentat schematic in figura, este format din patru sonde metalice echidistate, de regula coliniare. Cu ajutorul sondelor exterioare se injecteaza curent in proba, iar cu ajutorul sondelor interioare se masoara o diferenta de potential.
Distanta tipica dintre sonde este de 1 mm, ele fiind prinse intr-un dispozitiv care mentine sondele verticale si echidistante. Cele mai frecvente configuratii sunt cea liniara (a - curentul se injecteaza prin contactele externe, tensiunea se masoara prin contactele interne) si cea in careu (b).
Raza de curbura a sondei la varf este de ordinal a cativa zec ide microni.Lagarele prin care trebuie sa alunece sondele sunt de obicei din safir.
Conditii de aplicabilitate ale metodei :
Semnalul metodei test
O sonda in 4 puncte aflata in linie este folosita in determinarea rezistivitatii in aceasta metoda test. Un curent continuu este trecut prin specimen intre acele sondelor de interior. Rezistivitatea este calculata cu ajutorul curentului masurat si valoarea potentialui folosind factorul apropiat de geometrie.
Spatiul dintre varfurile celor 4 sonde se determina prin masurarea amprentei realizate de varful sondei pe o suprafata lustruita de staniol. Aceasta metoda este de asemenea folosita pentru a determina conditia conditia varfurilor sondei.
In continuare va fi analizata in detaliu configuratia liniara. Proba este presupusa semiinfinita. Afirmatia este echivalenta cu situatia in care distanta dintre sonde d, este mult mai mica decat grosimea probei, care la randul ei este mai mica decat diametrul efectiv al probei.
Liniile campului electric se suprapun peste liniile campului densitatii de curent, deoarece:
In interiorul probei este valabila ecuatia Poisson. Punctele de singularitate sunt punctele in care sondele intra in contact cu suprafata probei. Acolo apar sarcini electrice care intretin campul electric. Aproximand distributia acestor sarcini cu doua sarcini punctiforme, sistemul studiat este echivalent cu un dipol electric. Dar acest model este valabil numai in interiorul probei. La suprafata probei este valabila conditia:
De asemenea, deoarece proba este (semi)conductoare, la suprafata probei va exista o sarcina electrica superficiala care va ecrana campurile electrice externe (comportament de metal). Adica campul rezultant, generat de aceasta destributie, va fi nul in interiorul probei.
In consecinta campul este descris de doua sarcini punctiforme +q si -q, al carui potential este dat de relatia :
Valorile de interes pentru potential sunt localizate in punctele 2 si 3 pe suprafata probei. in consecinta:
si
iar
A mai ramas problema calcularii sarcinii q.In apropierea sarcinii campul electric este descris de relatia:
Prin integrare se obtine fluxul electric :
Dar :
In consecinta :
In final rezulta :
Din aceasta relatie rezulta formula de calcul pentru rezistivitate :
Pentru determinarea rezistivitatiii prin metoda celor 4 sonde, se masoara intensitatea I a curentului prin sondele 1 si 4, se masoara tensiunea U intre sondele 2 si3, si distanta d, dintre sonde.
In final se calculeaza cu formula anterioara rezistivitatea.
Valoarea rezistivitatii calculate prin aceasta metoda este o calitate primara pentru a caracteriza si specifica tipul de material de siliciu folosit pentru mecanismul electronic de semiconductor.
Nivelul curentului, forta sondei, suprafata specimenului(prepararea acesteia) specificata aici sunt de preferat pentru toate masuratorile realizate pe suprafata probei(in cantitate mare de vapori).
In realizarea masuratorilor rezistivitatii rezulta erori provenite de la diferite surse.Efectele fotovoltaice si fotoconductive pot serios influenta rezistivitatea obtinuta. De aceeea, toate determinarile ar trebui facute intr-o camera obscura.
Curentii falsi pot fi introdusi in circuitul testat cand echipamentul e localizat langa generatori de inalta frecventa. Daca echipamentul este langa asemenea surse, trebuie realizat un ecranaj al acestuia.
Date experimentale :
F
- factor geometric de corectie (cm);
Rf
- rezistenta sondei strabatute de curent direct;
Rr - rezistenta sondei strabatute de curent invers;
- distanta medie
dintre sonde;
w - grosimea probei;
D
- diametrul plachetei
D = 5,05
cm
= 0,918mm = 0,0918 cm
F = 0,11(cm)
Rm = 0,136 Ω
Determinarea tipului de conductie :
Caracteristicile galvanometrului : sensibilitatea : 4x10-9 A
Placheta : are conductivitate de tip p(ca si proba etalon)
Spotul de la galvanometru s-a deplasat spre dreapta; sonda calda s-a incarcat pozitiv.
4) Metoda Spreading (metoda rezistentei distribuite)
Principiul metodei :
Consideram proba infinita. Pe fundul probei se pune un contact electric intins, iar pe suprafata un contact electric ascutit.
Sistemul nostru este echivalent din punct de vedere electric cu o sarcina electrica punctiforma. Presupunem ca varful sondei este bine infipt in proba, a.i. urma lasata este o emisfera perfecta. Raza este de ordinul microni 616q1622g lor.
j
U - tensiunea aplicata din exterior ;
- se poate
stabili numai prin etalonare
Metoda se aplica pentru masurarea variatiilor de rezistivitate de la punct la punct(masuram distributia rezistivitatii pe suprafata probei).
Aceasta metoda nu se face manual; trebuie controlata forta finala de apasare a sondei si viteza cu care creste forta de apasare.Este o metoda distructiva.Varfurile sunt dintr-un material dur, bine ascutite cu raza de curbura de 1µm(pentru a avea o rezolutie buna in masuratori).
|
