Контактная разность потенциалов и термоЭДС

Электрические свойства тонких металлических пленок

Металлические пленки, получаемые вакуумными методами (например, термическим испарением, ионно-плазменным распылением), используются в микроэлектронике в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, резистивных и магнитных элементов, обкладок конденсаторов.

Электрические свойства тонких пленок существенно отличаются от свойств исходных материалов в массивном (компактном) состоянии. Это обусловлено:

• структурой пленок. При конденсации распыляемого металла на поверхности структура пленок может изменяться от аморфной до кристаллической (например, при образовании монокристаллических эпитаксиальных пленок); размерными эффектами. В пленках поверхностные процессы преобладают над объемными, особенно если толщи на пленки (h) соизмерима с длиной свободного пробега (l) основных носителей заряда, что сказывается на свойствах, в том числе и электрических.

При рассмотрении зависимости удельного электросопротивления ρ и температурного коэффициента удельного электросопротивления a_ρ, тонких пленок от толщины различают три области (рис. 4.4).

Рис. 4,4. Зависимость ρ и a_ρ пленок от толщины h

Область I соответствует толщине пленки А~10^-3 мкм. Видно, что ρ значительно превышает ρ_м (здесь ρ_м — удельное электросопротивление исходного металла или сплава в массивном состоянии); a_ρ < 0. На ранних стадиях конденсации металла образующиеся пленки имеют островковую структуру: частицы металла располагаются на диэлектрической подложке не сплошным слоем, а в виде зерен (островков). При приложении поля электроны проходят через диэлектрические зазоры между островками, поэтому ρ пленки определяется удельным электросопротивлением не только металла, но и диэлектрика, которое на несколько порядков выше, чем ρ металла. Поскольку с увеличением температуры ρ диэлектрика уменьшается, температурный коэффициент удельного электросопротивления пленки меньше нуля, а его значение велико по модулю.

При увеличении толщины пленки до 10^-2 < h < 10^-1 мкм (область II) ρ > ρ_м и a_ρ меняет знак. Увеличение толщины пленки обусловлено увеличением количества осажденного металла, благодаря чему диэлектрические зазоры между островками уменьшаются, поэтому уменьшается также и ρ пленки, а a_ρ становится меньше по модулю, а затем меняет знак.

При дальнейшем увеличении толщины пленки (в области III соответствующей толщине пленки h > 10^-1 мкм) происходят слияние островков и образование сплошного металлического слоя, значение ρ стремится к значению ρ_M, а a_ρ — к a_ρм. Тем не менее ρ пленок всегда оказывается выше ρ_м вследствие высокой концентрации дефектов (вакансий, дислокаций, границ зерен, образующихся при слиянии островков, примесных атомов, поглощенных из остаточной атмосферы, и т. д.).

Увеличению ρ способствует также и размерный эффект, т.е. уменьшение длины свободного пробега электронов вследствие их рассеяния поверхностями пленки.

Контактная разность потенциалов и термоЭДС

При контакте двух различных металлов между ними происходит обмен электронами и возникает контактная разность потенциалов (КРП). Она обусловлена различием в значениях работы выхода электронов и концентрации электронов проводимости у этих металлов.

КРП между металлами А и В выражается формулой

U_AB=U_B – U_A + (кТ/е) ln (n_А/п_B),

где U_A, U_B, n_А и n_B — соответственно электрические потенциалы и концентрации электронов проводимости соприкасающихся металлов.

Если провода из А и В образуют замкнутую цепь и температура обоих контактов одинакова, то сумма разностей потенциалов в этой цепи равна нулю.

Рис. 4.5. Контактная разность потенциалов

Если же один контакт имеет температуру Т₁, а другой Т₂ (рис. 4.5), то возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС):

U= U_AB + U_BA = U_B - U_A + (кТ₁/е) ln (n_А/п_B) + U_A – U_B +(кТ₂/е) ln (n_B/п_A),

Откуда

U= (к/е) (Т₁ - Т₂) ln (n_А/п_B) = a (Т₁ - Т₂),

где а - коэффициент ТЭДС, являющийся функцией разности температур горячего и холодного контактов.

Подобрав два материала, имеющих большую термоЭДС, и изготовив из них термопару, можно пользоваться ею для измерения температуры. При изготовлении термопар используют следующие сплавы:

• копель (56 % Сu, остальное Ni);

• алюмель (95 % Ni, остальное Аl, Si, Mg);

• хромель (90 % Ni, остальное Cr);

• платинародий (90 % Pt, остальное Rh).