Электросопротивление

10. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ
ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК»
10.1. Цель работы
Практическое изучение технических и методических основ определения
температурной зависимости электросопротивления тонких пленок, полученных методами
вакуумно-плазменного
осаждения,
и
расчета
температурного
коэффициента
сопротивления (ТКС).
10.2. Теоретические сведения
Отрицательный ТКС в диспергированных пленках.
ТКС очень тонких пленок редко приближается к объемному значению, чаще такие
пленки обладают большим отрицательным ТКС. Особый механизм проводимости очень
тонких диспергированных (островковых, зернистых по структуре) пленок очевидно
определяется их строением. На рис. 10.1 показаны кривые зависимости сопротивления от
температуры для прерывистых пленок трех металлов. Имеет место хорошее соответствие
этих экспериментальных данных выражению для сопротивления пленок
R = A0 T–e / kT,
где A0,  и  – постоянные отдельной пленки.
log10R
12
Ni
10
W
8
Mo
6
0
20
40
103 / Т
Рис. 10.1. Зависимость сопротивления от температуры
прерывистых пленок трех металлов.
Объяснение можно найти рассматривая особую термоэлектронную эмиссию из
зерен пленки. Поскольку энергия активации для проводимости диспергированных пленок
намного меньше работы выхода соответствующих металлов в массивном состоянии, для
объяснения результатов экспериментов следует предположить, что, во-первых, этот более
низкий барьер активации обусловлен наложением друг на друга поляризационных
силовых потенциалов двух островков, во-вторых, маленькая частичка обладает более
низкой работой выхода, чем массив, в-третьих, что форма небольшой частички
обуславливает пониженную работу выхода. Если электроны инжектируются в подложку,
то необходимо рассматривать только разницу между работой выхода металла и
электронов в изоляторе. Таким образом, перенос зарядов посредством термоэлектронной
эмиссии вполне может объяснять представленные результаты. Обоснованным
объяснением представляется также теория туннелирования, т.е. перенос зарядов
посредством туннелирования между разрешенными состояниями.
Проводимость сплошных пленок.
Отрицательные температурные коэффициенты для островковых пленок
обусловлены энергией, необходимой для преодоления расстояния между островками.
Однако отрицательные температурные коэффициенты обычно проявляются и в
металлических сплошных пленках толщиною и в несколько тысяч ангстрем.
Отрицательные температурные коэффициенты не проявляются в сплошных пленках до
тех пор пока значительно не проявляются примеси. Чем больше отклонение удельного
сопротивления ленки от объемного сопротивления, тем больше отрицательный
температурный коэффициент. Это объясняется геттерными свойствами металлов при их
осаждении и миграцией примесей к границам зерен, кроме того, хорошо известно, что
диффузия по границам зерен протекает на несколько порядков быстрее, чем по всему
объему пленки, поэтому со временем может иметь место загрязнение границ зерен из
атмосферы или других внешних источников.
Влияние окисления по границам зерен было подробно изучено на примере тантала.
Пленки, полученные методом катодного распыления в относительно чистых условиях
(подача на подложку отрицательного потенциала > 300 В в значительной мере подавляет
поглощающую способность), при термообработке в вакууме (Т = 250 С) лишь
незначительно увеличивали удельное сопротивление. При нагревании на воздухе их
удельное сопротивление увеличивалось более чем в 2 раза. Для аналогичных пленок,
осажденных в атмосфере, содержащей 0,1 % кислорода, термообработка и в вакууме и на
воздухе приводит к значительному росту сопротивления. ТКС при этом менялся весьма
характерным образом (рис. 10.2), подтверждая влияние границ зерен на механизм
проводимости.
ТКС, 10-6 / C
+200
0
Обычная
-200
Легированная кислородом
-400
40
0
80
Часы
Рис. 10.2. Зависимость ТКС танталовых пленок от
термообработки на воздухе при Т = 250 С.
10.3. Задание по работе
1. Изучить инструкцию по эксплуатации вольтметра В7-27, подготовить его к
измерению электросопротивления. Ознакомиться с конструкцией теплового
лабораторного шкафа, пройти собеседование с преподавателем по методике
2
проведения эксперимента. Установить образец тонкой пленки в тепловом шкафу и
подключить его к вольтметру В7-27 для измерения электросопротивления.
2. Предложить
методику
определения
температурной
зависимости
электросопротивления образца пленки с использованием имеющихся технических
средств, методика должна определить и распределение функциональных обязанностей
каждого из участников экспериментальных исследований. Утвердить методику при
собеседовании с преподавателем.
3. Осуществить измерение температурной зависимости электросопротивления образца
пленки при разогреве и в процессе остывания пленки с шагом не более 5 градусов.
4. Провести обработку данных эксперимента, определить ТКС пленки в зависимости от
температуры. Построить графики зависимости сопротивления и ТКС от температуры,
а также зависимости сопротивления от температуры в координатах 103 / Т – log10R
(см. рис. 10.1).
7.4. Требования к оформлению протокола





Протокол должен содержать следующее:
название работы, Ф. И. О. исполнителей и их подписи;
функциональную схему измерений;
все полученные экспериментальные данные в виде таблиц;
графики зависимости сопротивления и ТКС от температуры, а также зависимости
сопротивления от температуры в координатах 103 / Т – log10R;
физическую интерпретацию полученных зависимостей.
3