Приборы и техника эксперимента, 2022, № 2, стр. 118-121

В настоящее время изучение электрофизических свойств полупроводников под действием внешних механических воздействий является весьма актуальной задачей. Как известно, внешние механические воздействия делятся на изотропные (всесторонние) и анизотропные (одноосное и локальное) давления. Электрофизические свойства полупроводников при анизотропном давлении очень хорошо изучены [1–4].

Обзор литературы показал, что изучению электрофизических свойств полупроводников при изотропном (гидростатическом) сжатии посвящено много работ. Но практически во всех работах исследованы остаточные эффекты, которые наблюдаются в полупроводниковых образцах после выдержки их при высоких гидростатических давлениях [5–7].

В нашей лаборатории была разработана установка гидростатического давления [8, 9] для исследования электрофизических свойств полупроводников и структур на их основе при всестороннем гидростатическом давлении. Эта установка позволяет исследовать тензоэлектрические свойства полупроводников и структур на их основе в статическом и динамическом режимах воздействия гидростатического давления с амплитудой 0–5 ГПа. Однако при многолетнем использовании установки обнаружились некоторые ее недостатки. В частности, при динамическом режиме воздействия давления температуры жидкости и исследуемого образца в камере гидростатического давления возрастают на 7–10°С. Это приводит к появлению дополнительной проводимости исследуемых полупроводников [10]. В работе [10] мы показали, что при динамическом режиме воздействия гидростатического давления на полупроводник с глубокими примесными уровнями наблюдается, помимо температурного эффекта, еще и релаксационный эффект. Установка [8] не позволяет проводить исследования тензоэлектрических свойств полупроводников в динамическом режиме без изменения температуры образцов. При воздействии гидростатического давления в динамическом режиме без изменения температуры можно наблюдать релаксационные эффекты, связанные только с колебательными процессами кристаллической решетки полупроводника.

В настоящей работе представлены результаты модернизации установки гидростатического давления с пневмоусилителем [8, 9], предназначенной для исследования электрофизических и тензотермоэлектрических свойств полупроводников и структур на их основе. На рис. 1 приведена предлагаемая нами конструкция установки.

Установка содержит камеру гидростатического давления, состоящую из двух частей 7, 13, и пневматический усилитель. Последний состоит из трех пневмокамер 2. Верхние диски 3 каждой пневмокамеры жестко скреплены с корпусом пневмоусилителя и уплотнены резиновыми прокладками 5. Давление в пневмокамерах 2 измеряется с помощью манометра 1. Мембраны 4 жестко прикреплены к подвижному штоку и приводят его в движение при нагнетании воздуха в пневмокамеры. Давление из пневмокамер передается в гидроканал 10 через подвижный шток 6 и поршень 8 гидроканала. При закрытом клапане 11 из пневмоусилителя давление передается только в первую часть гидроканала 10. При этом во второй части 17 гидроканала давление не меняется. Далее, при открытии клапана 11 давление из первой части гидроканала мгновенно распространяется без изменения температуры в его вторую часть. При открытом положении клапана 11 давление через шток передается в обе части гидроканала. Поршень 8 и держатель 19 уплотнены комплектом из резиновых, свинцовых и медных прокладок 9. Исследуемый образец 18 с электрическими выводами и специальным защитным покрытием установлен на держателе 19, который прикреплен к гидрокамере с помощью специальной гайки 14. Электрические выводы 20 из держателя выводятся наружу через подложки 15. Термостат 12 обеспечивает проведение экспериментов при разных температурах. В установке также предусмотрены электромагниты 16 для изучения гальваномагнитных явлений в исследуемых образцах. При необходимости можно фиксировать поршень 8 гайкой 21. При этом давление в гидрокамере сохраняется, даже если выпустить воздух из пневмокамеры.

В отличие от предыдущей версии установки, в предлагаемой конструкции камера гидростатического давления состоит из двух частей, которые соединены через клапан 11. Такая конструкция гидрокамеры обеспечивает возможность проведения экспериментов в двух режимах динамического воздействия гидростатического давления. При открытом клапане 11, когда обе части гидрокамеры являются единым целым, имеет место так называемый тензотерморежим. В этом режиме температура образца возрастает при воздействии импульсного давления, т.е. установка работает как ее предыдущая версия. Второй режим называется изотермическим режимом. В этом режиме в первой части 7 гидрокамеры предварительно создается высокое гидростатическое давление с помощью пневмоусилителя. Далее, при постоянной температуре открывается клапан, и давление из первой части гидрокамеры мгновенно распространяется во вторую часть, где установлен исследуемый образец. В этом режиме объем жидкости почти не меняется, и температура образца остается постоянной. Все эффекты, которые наблюдаются в изотермическом режиме, являются эффектами нетермического происхождения.

В старой версии установки радиус канала гидравлической камеры мал (всего 0.5 см). Такой узкий канал не позволяет установить на держателе дополнительные элементы для контроля электрофизических и термоэлектрических процессов, происходящих в исследуемых образцах. Поэтому мы увеличили радиус гидроканала до R_p = 0.8 см. Однако увеличение радиуса гидроканала приводит к уменьшению коэффициента усиления пневмоусилителя [8, 9]:

где P_p – давление в рабочей камере; P_m – давление в пневмокамерах; k – коэффициент усиления, определяемый как:

В старой версии установки k = 3.2 ⋅ 10³ (R_m = 20 см, R_p = 0.5 см, N = 2). Чтобы коэффициент усиления не уменьшился, мы увеличили радиус мембраны в пневмокамере до R_m = 28 см и число пневмокамер до N = 3. При таких параметрах коэффициент усиления k нашей конструкции составил 3.67 ⋅ 10³. При давлении в пневмокамерах, равном P_m = = 6 ⋅ 10⁵ Па, в рабочей камере давление будет P_p = = 2.2 ГПа.

На рис. 2 приведены зависимости давления и температуры от времени (временная шкала работы предлагаемой установки) при амплитудном значении приложенного гидростатического давления. Согласно рис. 2а (правая и верхняя шкалы), в тензотерморежиме температура образцов увеличивается на 8 К при достижении амплитуды давления 6 ⋅ 10⁸ Па и скорости нарастания давления 2 ⋅ 10⁸ Па/c. В изотермическом режиме гидрокамеры температура исследуемого образца остается постоянной (рис. 2б, правая и верхняя шкалы), несмотря на мгновенное нарастание давления до амплитудного значения (рис. 2б, левая и нижняя шкалы). Также, согласно рис. 2, импульс давления в изотермическом режиме почти прямоугольный, в отличие от импульса тензотерморежима.

Технические возможности предлагаемой установки позволяют проводить исследования в обоих режимах гидрокамеры в диапазоне давлений 0–2 ГПа и температуры 273–500 К. Максимальная скорость нарастания давления в тензотерморежиме гидрокамеры составляет dP/dt = 2 ⋅ 10⁸ Па/с. При такой скорости время нарастания давления до амплитудного значения 6 ⋅ 10⁸ Па составляет 3 с. В изотермическом режиме гидрокамеры давление распространяется практически мгновенно.

На рис. 3 приведено относительное изменение тока, проходящего через образец n-Si<P, Ni> c удельным сопротивлением ρ = 1.1 ⋅ 10⁵ Ом · см, в разных режимах работы гидрокамеры.

В обоих случаях амплитуда импульсного давления равна 6 ⋅ 10⁸ Па. При тензотерморежиме относительное значение тока возрастает в 2.2 раза (рис. 3, кривая 1), а в изотермическом режиме – всего в 1.45 раза (рис. 3, кривая 2). При изотермическом режиме импульсного давления отсутствуют эффекты, связанные с возрастанием температуры. Кривая 2 на рис. 3 явно показывает, что в образцах n-Si<P, Ni> c удельным сопротивлением ρ = 1.1 ⋅ 10⁵ Ом · см наблюдаются эффекты, связанные только с колебательными процессами, стимулированными импульсным давлением.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что новая конструкция установки гидростатического давления позволяет исследовать динамический тензоэффект в полупроводниках с глубокими примесными уровнями в двух режимах гидрокамеры. В изотермическом режиме работы гидрокамеры впервые удалось наблюдать колебательно-релаксационные эффекты, происходящие в образцах кремния с примесями никеля. Помимо этого, расширение гидроканала позволило установить около исследуемого образца элементы для контроля электрических, тензотермических и гальваномагнитных явлений. Новая конструкция гидроканала открывает дополнительные возможности в исследовании динамических тензоэффектов в полупроводниковых образцах с глубокими примесными уровнями.