Charakterisierung und Anwendung eines Sperrschichtfeldeffekttransistors bei tiefen Temperaturen

Graf, Paul GND

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Eigenschaften eines mit flüssigem Stickstoff gekühlten Sperrschicht-Feldeffekttransistors (Typ BF545B). Dieser wurde für verschiedene Experimente zur Oberflächenuntersuchung einer Kupferprobe genutzt.</br> Ein entscheidendes Merkmal des gekühlten Transistors ist der verschwindend geringe Leckstrom von 5*10^(-20) A, also nur 1 Elektron alle 3 Sekunden! Dieser extrem hohe Innenwiderstand macht den Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) zu einem nahezu idealen Elektrometer, mit dem sehr geringe Ströme im Attoampere-Bereich gemessen wurden. Zusätzlich erlaubt das Bauteil eine vergleichsweise hohe Zeitauflösung bei Strom-/Spannungsmessungen, sodass auch kleine Strom-/Spannungssignale mit hohen Frequenzen gemessen werden konnten. Die Bandbreite von etwa 100 kHz gepaart mit einer Ladungs-Auflösung von einigen 100 Elektronen und dem extrem geringen Leckstrom von 5*10^(-20) A machen den gekühlten JFET zu einem einzigartigen Bauteil.</br> Der gekühlte Sperrschicht-Feldeffekttransistor wurde dann mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) kombiniert. Zur Demonstration der Messfähigkeit des JFET-STM wurde eine Kupferprobe untersucht. Der experimentelle Aufbau erlaubt es, neben der Topographie der Cu(111)-Oberfläche auch deren Potential zu erfassen. Dabei wurden von Stufenkanten ausgehende Thermospannungssignale genauer untersucht.</br> Es konnte außerdem demonstriert werden, dass der JFET statische Messungen des lokalen elektrischen Potentials im Mikrovolt-Bereich erlaubt. So konnte die Austrittsarbeitsänderung der Probenoberfläche durch eine Kohlenstoffmonoxid (CO)-Vollbedeckung bestimmt werden, indem die Änderung des elektrischen Feldes zwischen der Cu(111)-Probe und der Spitze des JFET-STM während der CO-Adsorption untersucht wurde.

This thesis presents the properties of a junction field effect transistor (BF545B) at cryogenic temperatures. It is used for different experiments on a copper surface. The cooled junction field effect transistor (JFET) shows a vanishing leakage current of 5*10^(-20) A which corresponds to only 1 electron every 3 seconds! Because of this extremely high internal resistance the JFET may be used as an almost perfect electrometer that is able to measure tiny currents in the attoampere regime.</br> Furthermore, the time resolution of this device is rather high compared to commercial electrometers with the same charge resolution which makes it capable of measuring small current-/voltage-signals at high frequencies. The bandwidth of about 100 kHz combined with a charge resolution of a few 100 electrons and an extremely low leakage current of 5*10^(-20) A make this cooled JFET so unique. Subsequently, the cooled JFET was integrated in a scanning tunneling microscope (STM). This JFET-STM was then used to investigate a copper sample. Not only was it possible to measure the topography of the Cu(111) surface but this experimental setup also allowed us to measure the potential landscape of the surface. To be more precise, the thermovoltage at step edges of the copper surface was studied.</br> Additionally the cooled JFET was demonstrated to allow static measurements of the local electric potential in the microvolt regime. Thus, the work function change of the Cu(111)-surface while carbon monoxide (CO) was being adsorbed could be determined by investigating the change of the electric field between the tip of the JFET-STM and the Cu(111) sample during the adsorption of CO.

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Graf, P., 2019. Charakterisierung und Anwendung eines Sperrschichtfeldeffekttransistors bei tiefen Temperaturen. https://doi.org/10.17185/duepublico/70283
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