《半導(dǎo)體物理》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(2022年版)

1、半 導(dǎo) 體 物 理實(shí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)信息工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)教研室2022目錄169A:RTS-8型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀用戶(hù)手冊(cè)11B:WJZ/WJZ-型多功能激光橢圓偏振儀使用手冊(cè) 30I 10試驗(yàn)一 霍爾效應(yīng)一、試驗(yàn)?zāi)康牧私饣魻柶鞑膶?duì)材料要求的學(xué)問(wèn)；學(xué)習(xí)用“對(duì)稱(chēng)測(cè)量法”消退副效應(yīng)的影響，測(cè)量試樣的V I曲線(xiàn)；HS學(xué)會(huì)確定試樣的導(dǎo)電類(lèi)型，載流子濃度以及電導(dǎo)率。二、儀器設(shè)備QS-H 型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀三、試驗(yàn)原理導(dǎo)體材料霍爾系數(shù)確實(shí)定R由霍爾電壓VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的關(guān)系，VHH IdB 知，只要測(cè)出VH以及知道I、SB 和d，可計(jì)算出霍爾系數(shù)HR VdHHIBS1導(dǎo)體材料導(dǎo)電類(lèi)型確實(shí)定假設(shè)試驗(yàn)中

2、能測(cè)出I、B 的方向，就可推斷V的正負(fù)，打算霍爾系數(shù)的正負(fù)，從而推斷SH出半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型。當(dāng)RH 0時(shí)，樣品屬N 型載流子為電子，反之則為P 型子為空穴。導(dǎo)體材料載流子濃度確實(shí)定1Vd由霍爾系數(shù)R H，可得HneIBSIBn S2HVdeHVI假設(shè)知道、B，就可確定該材料的載流子濃度。依據(jù)電導(dǎo)率HS與載流子濃度n遷移率 之間的關(guān)系 ne 知，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出值即可求出 RH 3霍爾組件對(duì)材料的要求依據(jù)上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是要選擇霍爾系數(shù)大即遷移率 高、電阻率 亦較高RH ，就金屬導(dǎo)體而言，和 雖 高， 件都承受 N 型材料，其次霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍爾組件

3、的輸出電壓較片狀要高得多。試驗(yàn)中的副效應(yīng)及其消退方法在將影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)設(shè)法消退。本試驗(yàn)主要影響來(lái)自不等勢(shì)電壓V ，如圖1 所示，當(dāng)電流I流過(guò)霍爾元件時(shí)，沿電流方向電位漸漸降低。設(shè)圖中平行線(xiàn)為一系S差，稱(chēng)為不等勢(shì)電位V。明顯，不等勢(shì)電位V的正負(fù)極性隨電流的方向的不同而轉(zhuǎn)變，與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。VVHAIS等勢(shì)面VHA，1 不等勢(shì)電位V 產(chǎn)生氣理圖示除V 外還存在由于熱電效應(yīng)和熱磁效應(yīng)所引起的各種副效應(yīng)，這些副效應(yīng)均可通過(guò)改變I和 B 的方向的方法加以消退。即在規(guī)定了電流和磁場(chǎng)正、負(fù)方向后，分別測(cè)量由以下S四組不同方向的I和B組合的電位差V，即：SH+B，+ISV VH1；-B+ISVH

4、2-B，-IS然后取平均值得V VH3；+B，-ISVH4V VV VV 12344H4提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介QSH 型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀由試驗(yàn)裝置和測(cè)試儀兩大局部組成。A、螺線(xiàn)管試驗(yàn)裝置2 所示電磁鐵磁鐵線(xiàn)包的引線(xiàn)有星標(biāo)者為頭，線(xiàn)包繞向?yàn)轫槙r(shí)針，依據(jù)線(xiàn)包繞向及勵(lì)磁電流IM 的關(guān)系標(biāo)明在線(xiàn)包上。樣品和樣品架樣品材料為 N 型半導(dǎo)體硅單芯片，樣品的幾何尺寸為：厚度d 0.5mm，寬度b 4.0mm，A、C L 3.0mm。樣品共有三對(duì)電極，其中A、A” 或C、C” 用于測(cè)量霍爾電壓V；A、C 或A” 、C” 用H于測(cè)量傳導(dǎo)電壓V；D、E 為樣品工作電流電極。樣品架具有X、Y 調(diào)整功能及讀數(shù)

5、裝置。IIS換向開(kāi)關(guān)及VH、V 切換開(kāi)關(guān)。IIS換向開(kāi)關(guān)投向上方，則I及ISMVH、V ”切換開(kāi)關(guān)投向上方測(cè)VH，投向下方測(cè)V 。X方向調(diào)整螺絲探桿勵(lì)磁線(xiàn)圈 霍爾元件Y方向調(diào)整螺絲MI輸入MV輸出HV輸出HI 輸入SI輸入M2 試驗(yàn)儀裝置示意圖B、測(cè)試儀3 所示“IS輸出”為010mAIM 輸出”為1A勵(lì)磁電流源，兩路輸出電流大小通過(guò)IS IM 同一只數(shù)字電流表進(jìn)展測(cè)量，按鍵測(cè)IM IS 。直流數(shù)字電壓表I和VM通過(guò)功能切換開(kāi)關(guān)由同一只數(shù)字電壓表進(jìn)展測(cè)量器進(jìn)展調(diào)整。當(dāng)顯示器的數(shù)字前消滅“一”號(hào)時(shí)，表示被測(cè)電壓極性為負(fù)值。QS-HQS-H 型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀200mVON20mVmVmAAOF

6、F調(diào)零I 調(diào)整SI 輸出SI調(diào)整MI輸出M3 測(cè)試儀面板示意圖四、試驗(yàn)內(nèi)容及步驟測(cè)繪VI曲線(xiàn)HSISIM輸出”和“VH、V 輸入”三對(duì)接線(xiàn)柱分別與試驗(yàn)儀上的三對(duì)相應(yīng)的接線(xiàn)柱正確相連。切不能將I電流接到樣品電流上，否則可能燒壞M樣品。將試驗(yàn)儀“VH、V ”切換開(kāi)關(guān)合向VVH，調(diào)“I調(diào)M節(jié)，取I 0.6A保持不變。M調(diào)“I調(diào)整，使I值為表中所示，并相應(yīng)地轉(zhuǎn)換I輸入、I輸入開(kāi)關(guān)方向。測(cè)SSSM出V為V ，V ，V ，V 見(jiàn)表。IS(mA)IS(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)+IVV V V V1234+B+I-B-I-B-I+BH4SSSSSSS1.001.502.002.5

7、03.004.00值，計(jì)算電導(dǎo)率將“VH、V ”切換開(kāi)關(guān)投向VV 。在零磁場(chǎng)下IM0，使IS 2.00mA，測(cè)量V 。I l依據(jù) S，計(jì)算 值。V bd確定樣品的導(dǎo)電類(lèi)型將試驗(yàn)儀三組雙刀開(kāi)關(guān)均投向上方取I 2.00mA，I 0.6A，觀測(cè)V大小及極SMH性，推斷樣品導(dǎo)電類(lèi)型。求樣品的R，n 值H確定V-I曲線(xiàn)斜率K。HS由公式B KI，計(jì)算B 值，其中I0.6A，K值在磁鐵線(xiàn)包上標(biāo)明。BMMB計(jì)算R：HHR VHHISdd108 K108BB式中，K 為單位取伏/安，B 的單位取高斯，d RHn：的單位為厘米3庫(kù)侖。n 1ReH留意：關(guān)機(jī)前，應(yīng)將“I調(diào)整”旋鈕逆時(shí)針?lè)较蛐降祝蛊漭敵鲭娏髭呌?/p>

8、零。然后S才可切斷電源。五、試驗(yàn)前作業(yè)為什么半導(dǎo)體中霍爾效應(yīng)特別顯著？如霍爾片的工作電流I及磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的方向，如何推斷樣品的導(dǎo)電類(lèi)型？S六、試驗(yàn)后作業(yè)本試驗(yàn)線(xiàn)路中為什么設(shè)置三個(gè)換向開(kāi)關(guān)？它們各自的作用是什么？怎樣利用霍爾效應(yīng)測(cè)定磁場(chǎng)？試驗(yàn)二 四探針?lè)y(cè)量半導(dǎo)體電阻率及薄層電阻綜合性試驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康牧私鈽悠返奶幚矸椒ǎ盐账奶结樂(lè)y(cè)量半導(dǎo)體材料方阻和電阻率的根本原理和方法；能夠嫻熟運(yùn)用四探針?lè)y(cè)量半導(dǎo)體薄層方塊電阻與薄片電阻率，了解半導(dǎo)體阻值與光照的關(guān)系；把握利用 EXCEL 對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件中的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)展處理，計(jì)算電阻率、方塊電阻率及標(biāo)準(zhǔn)差。二、儀器設(shè)備計(jì)算機(jī)，RTS-8 型雙電測(cè)四探針

9、測(cè)試儀三、試驗(yàn)原理測(cè)量的根本原理雙電測(cè)組合四探針?lè)ǔ惺芰艘韵露N組合的測(cè)量模式見(jiàn)圖。VV1234V1234IV組合IV組合14231324 將直線(xiàn)四探針垂直壓在被測(cè)樣品外表上分別進(jìn)展I和I組合測(cè)量，測(cè)量過(guò)程如下：進(jìn)展I組合測(cè)量：142313241423電流從針針，從、針測(cè)得電壓V+；23電流換向，從針針，從、針測(cè)得電壓V-；23計(jì)算正反向測(cè)量平均值：V(V+ V- )2；232323進(jìn)展IV組合測(cè)量：1324電流從針針，從、針測(cè)得電壓 V24+；電流換向，從針針，從、針測(cè)得電壓 V-；24計(jì)算正反向測(cè)量平均值：V(V+ V- )2；242424計(jì)算VV值以VV均以 mV 為單位；2324232

10、4按以下兩公式計(jì)算幾何修正因子：假設(shè)1.18VV1.38 時(shí)；2324K14.69625.173(VV)7.872(VV)2(1)23242324假設(shè)1.10VV1.18 時(shí)；2324K15.8526.15(VV)7.872(VV)2(2)23242324計(jì)算方塊電阻 R ：(V)(單位： )(3)23其中：為測(cè)試電流，單位：mA；V為從、針測(cè)得電壓V+和V-的平均值，232323單位：mV；假設(shè)樣品厚度W，可按下式計(jì)算樣品體電阻率 ： RWF(W/S)10(單位： )；(4)W mW3m；S 為探針平均間距，單位：mm；F(W/S) 為厚度修正系數(shù)；計(jì)算百分變化率為例：最大百分變化Mmm 1

11、00%(5)平均百分變化acc 100%(6)徑向不均勻度2 M 100%(7)MmM m 分別為測(cè)量的電阻率最大值與最小值，單位： c 1、2 點(diǎn)即圓片中心測(cè)量點(diǎn)測(cè)量平均值，單位： a 1、2 點(diǎn)外其余各點(diǎn)的測(cè)量平均值，單位： ；(5)(6)(7)M 、m 、a 、c RM 、Rm Ra Rc 。其公式意義與M m a c 相像。RTS-8型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀簡(jiǎn)介RTS-8型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀測(cè)量原理通過(guò)承受四探針雙位組合測(cè)量技術(shù)，將范德堡測(cè) 量方法推廣應(yīng)用到直線(xiàn)四探針上。利用電流探針和電壓探針的組合變換，進(jìn)展兩次電測(cè)量， 其最終計(jì)算結(jié)果能自動(dòng)消退由樣品幾何尺寸 距、樣品尺寸及探針在樣品外表

12、上的位置等因素。這種動(dòng)態(tài)地對(duì)以上不利因素的自動(dòng)修正， 液晶玻璃鍍膜層、電熱膜等導(dǎo)電膜的方塊電阻(或稱(chēng)簿層電阻和面電阻)。RTS-9 雙電測(cè)四探針軟件測(cè)試系統(tǒng)對(duì)四探針測(cè)試儀主機(jī)發(fā)出把握指令來(lái)獲得用戶(hù)需要的測(cè)量數(shù)據(jù)， 主機(jī)在接收到指令后依據(jù)測(cè)量程序進(jìn)展測(cè)量(如四探針頭探頭電流探針和電壓探針的組合變 換測(cè)量、電流量程切換、采集測(cè)量數(shù)據(jù)回主機(jī)等)，并把采集到的數(shù)據(jù)反響回計(jì)算機(jī)中加以 運(yùn)算、分析，然后把測(cè)試數(shù)據(jù)以表格，圖形直觀地記錄、顯示出來(lái)。用戶(hù)可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)在電腦中保存或者打印以備日后參考和查看，還可以把采集到的數(shù)據(jù)輸出到Excel 中，讓用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展各種數(shù)據(jù)分析。儀器的技術(shù)指標(biāo)、及使用方法詳見(jiàn)

13、附錄A:RTS-9 型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀用戶(hù)手冊(cè)四、試驗(yàn)內(nèi)容及步驟 測(cè)試方法，生疏試驗(yàn)儀器使用，試驗(yàn)軟件安裝調(diào)試的根底上，依據(jù)附錄 A:RTS-9 型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀用戶(hù)手冊(cè)中“測(cè)量樣品根本操作流程”的相關(guān)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體薄層方塊電阻與薄片電阻率的測(cè)量。五、思考題光照與溫度變化對(duì)半導(dǎo)體的電阻或電阻率的影響狀況；半導(dǎo)體外表粗糙程度對(duì)其電阻率的影響狀況。試驗(yàn)三 橢偏法測(cè)薄膜厚度和折射率一、試驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)并把握橢偏法根本測(cè)量原理；能夠運(yùn)用橢偏法測(cè)量透亮介質(zhì)薄膜硅襯底上透亮膜厚度與折射率。二、儀器設(shè)備WJZ型多功能激光橢圓偏振儀三、試驗(yàn)原理介質(zhì)膜的測(cè)量1/4膜面上。反射時(shí)，光的偏振狀

14、態(tài)將發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)這種變化，便可以推算出待測(cè)膜面的某些光學(xué)參數(shù)如膜厚和折射率。橢偏方程與薄膜折射率和厚度的測(cè)量圖 1 所示為一光學(xué)均勻和各向同性的單層介質(zhì)膜。它有兩個(gè)平行的界面。通常，上部是折射率為n 的空氣或真空。中間是一層厚度為d 折射率為n 的介質(zhì)薄膜，均勻地附在折12n123并且各反射光和折射光分別產(chǎn)生多光束干預(yù)。其干預(yù)結(jié)果反映了膜的光學(xué)特性。1PPK0PPK0K1K2K3SS1n1d2n23n31 單層介質(zhì)膜依據(jù)電磁場(chǎng)麥克斯韋方程和邊界條件及菲涅爾反射系數(shù)公式，可以推導(dǎo)出橢偏方程：tan ei R/RPSrrei ei 1p2p1s 2s1rreirei1p 2 p1s2s其中 和 稱(chēng)為橢偏參數(shù)并具有角度量值，是n，n，n，入射角和d的函1231數(shù)，由于 nn ， 為量， 和 由試驗(yàn)中測(cè)取，通過(guò)相關(guān)計(jì)算可得出薄膜折射131n 和厚度d。一般承受查表法或計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)本儀器二種方法均可處理2需要說(shuō)明的是，當(dāng)nn 為實(shí)數(shù)時(shí)，厚度dd 為：1202n2n2 n2 sin2 2110本試驗(yàn)只能計(jì)算d ，假設(shè)實(shí)際膜厚大于d ，可用其他方法如干預(yù)片確定所在的周期數(shù)00j，且總膜度為：0 d0WJZ型多功能激光橢圓偏振儀使用說(shuō)明WJZ型多功能激光橢圓偏振儀的安裝、調(diào)整及使用說(shuō)明詳見(jiàn)附錄B:WJZ/WJZ-