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1、半導(dǎo)體材料與器件測(cè)試技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書光電工程學(xué)院2012年8月實(shí)驗(yàn)一 半導(dǎo)體電阻率和方阻測(cè)量的研究一 、實(shí)驗(yàn)意義電阻率是半導(dǎo)體材料的重要電學(xué)參數(shù)之一, 可以反映出半導(dǎo)體內(nèi)淺能級(jí)替位雜質(zhì)濃度,薄層電阻是表征半導(dǎo)體摻雜濃度的一個(gè)重要工藝參數(shù)。測(cè)量電阻率與薄層電阻的方法很多,如二探針?lè)?、擴(kuò)展電阻法等。而四探針?lè)ㄊ悄壳皬V泛采用的標(biāo)準(zhǔn)方法,它具有操作方便,精度較高,對(duì)樣品的幾何形狀無(wú)嚴(yán)格要求等特點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解四探針電阻率測(cè)試儀的基本原理;2、了解的四探針電阻率測(cè)試儀組成、原理和使用方法;3、能對(duì)給定的物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、處理。三、實(shí)驗(yàn)原理測(cè) 量原理:將四根排成一條直線的探針以
2、一定的壓力垂直地壓在被測(cè)樣品表面上,在 1、4 探針間通以電流 I(mA),2、3 探針間就產(chǎn)生一定的電壓 V(mV)(如圖1)。測(cè)量此電壓并根據(jù)測(cè)量方式和樣品的尺寸不同,可分別按以下公式計(jì)算樣品的電阻率、方塊電阻、電阻:圖.直線四探針?lè)y(cè)試原理圖V1234 . 薄圓片(厚度4mm)電阻率: F(D/S) F(W/S) W Fsp ·cm (1)其中:D樣品直徑,單位:cm或mm,注意與探針間距S單位一致;S平均探針間距,單位:cm或mm,注意與樣品直徑D單位一致(四探針頭合格證上的S值);W樣品厚度,單位:cm,在F(W/S)中注意與S單位一致;Fsp探針間距修正系數(shù)(四探針頭合格
3、證上的F值);F(D/S)樣品直徑修正因子。當(dāng)D時(shí),F(xiàn)(D/S)=4.532,有限直徑下的F(D/S)由附表B查出:F(W/S)樣品厚度修正因子。W/S<0.4時(shí),F(xiàn)(W/S)=1;W/S>0.4時(shí),F(xiàn)(W/S)值由附表C查出;I1、4探針流過(guò)的電流值,選值可參考表5.2(第6頁(yè)表5.2);V2、3探針間取出的電壓值,單位mV;. 薄層方塊電阻: F(D/S)F(W/S) Fsp / (2)其中:D樣品直徑,單位:cm或mm,注意與探針間距S單位一致;S平均探針間距,單位:cm或mm,注意與樣品直徑D單位一致(四探針頭合格證上的S值);W樣品厚度,單位:cm,在F(W/S)中注意與
4、S單位一致;Fsp探針間距修正系數(shù)(四探針頭合格證上的F值);F(D/S)樣品直徑修正因子。當(dāng)D時(shí),F(xiàn)(D/S)=4.532,有限直徑下的F(D/S)由附表B查出:F(W/S)樣品厚度修正因子。W/S<0.4時(shí),F(xiàn)(W/S)=1;W/S>0.4時(shí),F(xiàn)(W/S)值由附表C查出;I1、4探針流過(guò)的電流值,選值可參考表5.1(第6頁(yè)表5.1);V2、3探針間取出的電壓值,單位mV;雙面擴(kuò)散層方塊電阻可按無(wú)窮大直徑處理,此時(shí)F(D/S)=4.532,由于擴(kuò)散層厚度W遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探針間距,故F(W/S)=1,此時(shí)=4.532Fsp單面擴(kuò)散層、離子注入層、反型外延層方塊電阻此時(shí)F(D/S)值應(yīng)根據(jù)
5、D/S值從附表C中查出。另外由于擴(kuò)散層、注入層厚度W遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探針間距,故F(W/S)=1,此時(shí)有 F(D/S)Fsp. 棒材或厚度大于 4mm 的厚片電阻率:當(dāng)探頭的任一探針到樣品邊緣的最近距離不小于 4S 時(shí),測(cè)量區(qū)的電阻率為: ·cm (3)其中:C2S為探針系數(shù),單位:cm (四探針頭合格證上的C值);S 的取值來(lái)源于:1/S=(1/S1 +1/S3 1/(S1+S3) 1/(S2+S3)),S1為(1-2)針、S2為(2-3)針、S3 為(3-4)針的間距,單位:cm;I1、4探針流過(guò)的電流值,單位mA,選值可參考表5.2(第6頁(yè)表5.2);V2、3探針間取出的電壓值,單位m
6、V;. 電阻的測(cè)量:應(yīng)用恒流測(cè)試法,電流由樣品兩端流入同時(shí)測(cè)量樣品兩端壓降。樣品的電阻為: (3)其中:I樣品兩端流過(guò)的電流值,單位mA,選值可參考表5.2(第6頁(yè)表5.2);V樣品兩端取出的電壓值,單位mV;四、實(shí)驗(yàn)裝置:儀器分為電氣部分、測(cè)試架兩大部分,可以根據(jù)測(cè)試需要安放在一般工作臺(tái)或者專用工作臺(tái)上。儀器電氣原理如下圖所示220V電源濾波(一)濾波穩(wěn)壓(二)恒流電流選檔換向控制樣品測(cè)試A/D轉(zhuǎn)換顯示并行通訊接口計(jì)算機(jī)顯示器打印機(jī) 4儀器面 板說(shuō)明 RTS-8型四探針測(cè)試儀主要由主機(jī)(電氣測(cè)量裝置)、測(cè)試臺(tái)、計(jì)算機(jī)組成,三部分獨(dú)立放置,通過(guò)連接線聯(lián)接。該四探針測(cè)試儀亦可脫離計(jì)算機(jī)單獨(dú)使用。
7、- 5 - RTS-8型四探針測(cè)試儀儀表前面板說(shuō)明W2W1UK1K2K3K4K5LPK10K9K8K7K6項(xiàng)目說(shuō)明K1,K2,K3,K4,K5,K6測(cè)量電流量程選擇按鍵,共6個(gè)量程,當(dāng)按相應(yīng)的量程時(shí),此量程按鈕上方的指示燈會(huì)亮。K7“R /”測(cè)量選擇按鍵,即是測(cè)量樣品的方塊電阻還是電阻率的選擇按鍵,開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)設(shè)置在“ ”位。按下此按鍵會(huì)在這兩種測(cè)量狀態(tài)下切換,按鍵上方的相應(yīng)的指示燈會(huì)亮表示現(xiàn)處的測(cè)量類別。K8“電流/測(cè)量“方式選擇按鍵,開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)設(shè)置在“I”位;按下此按鍵會(huì)在這兩種模式下切換,按鍵上方的相應(yīng)的指示燈會(huì)亮表示現(xiàn)處的狀態(tài)。即當(dāng)處在“I”時(shí)表示數(shù)據(jù)顯示屏顯示的是樣品測(cè)量電流值,用戶可
8、根據(jù)測(cè)量樣品調(diào)節(jié)量程按鍵或電位器獲得適合樣品測(cè)量的電流。當(dāng)在“/ R”時(shí)表示現(xiàn)處于測(cè)量模式下,數(shù)據(jù)顯示屏顯示的是方塊電阻或電阻率的測(cè)量值。K9電流換向按鍵,按鍵上方的燈亮?xí)r表示反向。滅時(shí)表示正向。K10低阻測(cè)試擴(kuò)展按鍵(只在100mA量程檔有效),按鍵上方的燈指示開(kāi)、關(guān)的狀態(tài)。W1,W2W1 電流粗調(diào)電位器;W2 電流細(xì)調(diào)電位器。P與計(jì)算機(jī)通訊的并口接口。L顯示測(cè)試值的數(shù)據(jù)顯示屏,在不同的測(cè)試狀態(tài)下分別用來(lái)顯示樣品的測(cè)試電流值、方塊電阻測(cè)量值、電阻率測(cè)量值。U測(cè)試值的單位指示燈。備注:連機(jī)測(cè)量時(shí)用戶只需對(duì)前面板電位器W1、W2進(jìn)行操作(調(diào)節(jié)樣品測(cè)試電流值)。前面板的其它按鍵用戶不需在主機(jī)上操作
9、,在測(cè)量時(shí)完全由計(jì)算機(jī) RTS-4四探針測(cè)試儀儀表前面板說(shuō)明W2W1LUPK4K3K1K6K7K5K2項(xiàng)目說(shuō)明K1,K2,K3,K4測(cè)量電流量程選擇按鍵,共4個(gè)量程,當(dāng)按相應(yīng)的量程時(shí),此量程按鈕上方的指示燈會(huì)亮。K5“R /”測(cè)量選擇按鍵,即是測(cè)量樣品的方塊電阻還是電阻率的選擇按鍵,開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)設(shè)置在“ ”位。按下此按鍵會(huì)在這兩種測(cè)量狀態(tài)下切換,按鍵上方的相應(yīng)的指示燈會(huì)亮表示現(xiàn)處的測(cè)量類別。K6“電流/測(cè)量“方式選擇按鍵,開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)設(shè)置在“I”位;按下此按鍵會(huì)在這兩種模式下切換,按鍵上方的相應(yīng)的指示燈會(huì)亮表示現(xiàn)處的狀態(tài)。即當(dāng)處在“I”時(shí)表示數(shù)據(jù)顯示屏顯示的是樣品測(cè)量電流值,用戶可根據(jù)測(cè)量樣品調(diào)節(jié)
10、量程按鍵或電位器獲得適合樣品測(cè)量的電流。當(dāng)在“/ R”時(shí)表示現(xiàn)處于測(cè)量模式下,數(shù)據(jù)顯示屏顯示的是方塊電阻或電阻率的測(cè)量值。K7電流換向按鍵,按鍵上方的燈亮?xí)r表示反向。滅時(shí)表示正向。W1,W2W1 電流粗調(diào)電位器;W2 電流細(xì)調(diào)電位器。P與計(jì)算機(jī)通訊的并口接口。L顯示測(cè)試值的數(shù)據(jù)顯示屏,在不同的測(cè)試狀態(tài)下分別用來(lái)顯示樣品的測(cè)試電流值、方塊電阻測(cè)量值、電阻率測(cè)量值。U測(cè)試值的單位指示燈。備注:連機(jī)測(cè)量時(shí)用戶只需對(duì)前面板電位器W1、W2進(jìn)行操作(調(diào)節(jié)樣品測(cè)試電流值)。前面板的其它按鍵用戶不需在主機(jī)上操作,在測(cè)量時(shí)完全由計(jì)算機(jī)控制。主機(jī)后面板安裝情況如下圖所示:1ONOFF INPUTPORTFUSE
11、 220V4253 項(xiàng)目說(shuō)明1電源開(kāi)關(guān)2四探針探頭連接插座3保險(xiǎn)管4電源插座5輸出控制端口 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容首先按后面板說(shuō)明用連接電纜將四探針探頭與主機(jī)連接好,接上電源,再按以下步驟進(jìn)行操作:1. 開(kāi)啟主機(jī)電源開(kāi)關(guān),此時(shí)“R”和“I”指示燈亮。預(yù)熱約10分鐘;2. 估計(jì)所測(cè)樣品方塊電阻或電阻率范圍:RTS-8型四探針測(cè)試儀按表5.1和表5.2選擇適合的電流量程對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量,按下 K1 (1uA)、K2(10uA)、K3(100uA)、K4(1mA)、K5(10mA)、K6(100mA)中相應(yīng)的鍵選擇量程;(如無(wú)法估計(jì)樣品方塊電阻或電阻率的范圍,則可先以“10A”量程進(jìn)行測(cè)量,再以該測(cè)量值作為估計(jì)
12、值按表5.1和表5.2選擇電流量程得到精確的測(cè)量結(jié)果)方塊電阻測(cè)量時(shí)電流量程選擇表(推薦)方塊電阻(/)電流量程< 2.5100mA2.0 2510mA20 2501mA200 2500100uA2000 2500010uA>200001uA電阻率測(cè)量時(shí)電流量程選擇表(推薦)電阻率(·cm)電流量程< 0.03100mA0.03 0.310mA0.3 30 1mA30 300 100uA300 300010uA>30001uA表 5.1 表 5.2RTS-4型四探針測(cè)試儀按表5.3和表5.4選擇適合的電流量程對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量,按下 K1 (0.1mA)、K2(1
13、mA)、K3(10mA)、K4(100mA)中相應(yīng)的鍵選擇量程;(如無(wú)法估計(jì)樣品方塊電阻或電阻率的范圍,則可先以“0.1mA”量程進(jìn)行測(cè)量,再以該測(cè)量值作為估計(jì)值按表5.3和表5.4選擇電流量程得到精確的測(cè)量結(jié)果)方塊電阻測(cè)量時(shí)電流量程選擇表(推薦)方塊電阻(/)電流量程< 2.5100mA2.0 2510mA20 2501mA>2000.1mA電阻率測(cè)量時(shí)電流量程選擇表(推薦)電阻率(·cm)電流量程< 0.03100mA0.03 0.310mA0.3 30 1mA>30 0.1mA表 5.3 表 5.43. 確定樣品測(cè)試電流值:放置樣品,壓下探針,使樣品接
14、通電流。主機(jī)此時(shí)顯示電流數(shù)值。調(diào)節(jié)電位器W1和W2,即可得到所需的測(cè)試電流值。推薦按以下方法,根據(jù)不同的樣品測(cè)試類別計(jì)算出樣品的測(cè)試電流值,然后調(diào)節(jié)主機(jī)電位器使測(cè)試電流為此電流值,即可方便得到需要測(cè)試樣品的精確測(cè)試結(jié)果。. 測(cè)試薄圓片(厚度4mm)的電阻率:按以下公式:(詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)“實(shí)驗(yàn)原理”) V/I F(D/S)F(W/S)W Fsp 10n (·cm) 選取測(cè)試電流I:I= F(D/S) F(W/S) W Fsp10n。(式中各參數(shù)按“實(shí)驗(yàn)原理”中的定義可分別得出,n是整數(shù)與量程檔有關(guān))然后按此公式計(jì)算出測(cè)試電流數(shù)值。§ 在儀器上調(diào)整電位器“W1”和“W2”,使測(cè)試電
15、流顯示值為計(jì)算出來(lái)測(cè)試電流數(shù)值。§ 按以上方法調(diào)整電流后, RTS-8型四探針測(cè)試儀按“K8”鍵選擇“R /”(或RTS-4型四探針測(cè)試儀按“K6”鍵選擇“R /”), RTS-8型四探針測(cè)試儀按“K7”鍵選擇“”(或RTS-4型四探針測(cè)試儀按“K5”鍵選擇“”),儀器則直接顯示測(cè)量結(jié)果(·cm)。然后RTS-8型四探針測(cè)試儀按“K9”鍵進(jìn)行正反向測(cè)量(或RTS-4型四探針測(cè)試儀按“K7”鍵進(jìn)行正反向測(cè)量),正反向測(cè)量值的平均值即為此點(diǎn)的實(shí)際值。§. 測(cè)試薄層方塊電阻R:按以下公式:(詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)“實(shí)驗(yàn)原理”) V/I F(D/S) F(W/S) Fsp 10n (
16、/) 選取測(cè)試電流I:I= F(D/S) F(W/S) Fsp10 n。(式中各參數(shù)按“實(shí)驗(yàn)原理”中的定義可分別得出,n是整數(shù)與量程檔有關(guān))然后計(jì)算出測(cè)試電流值。§ 在儀器上調(diào)整電位器“W1”和“W2”,使測(cè)試電流顯示值為計(jì)算出來(lái)測(cè)試電流數(shù)值。 § 按以上方法調(diào)整電流后, RTS-8型四探針測(cè)試儀按“K8” 鍵選擇“R /”(或 RTS-4型四探針測(cè)試儀按“K6” 鍵選擇“R /”, 按“K7” 鍵選擇“R ”(或RTS-4型四探針測(cè)試儀按“K5” 鍵選擇“R ”),儀器則直接顯示測(cè)量結(jié)果(/)。然后按“K9”鍵進(jìn)行正反向測(cè)量(或RTS-4型四探針測(cè)試儀按“K7” 鍵),正
17、反向測(cè)量值的平均值即為此點(diǎn)的實(shí)際值。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求根據(jù)實(shí)驗(yàn),完成一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。計(jì)算薄圓片中心點(diǎn)、半徑中點(diǎn)、距邊緣6mm處的方塊電阻和電阻率。七、思考題1、 分析測(cè)量電阻率誤差的來(lái)源。2、 如果只用兩根探針既作電流探針又作電壓探針,這樣能否對(duì)樣品進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量?為什么?附錄A:脫機(jī)測(cè)量樣品基本操作流程放置樣品于測(cè)試臺(tái),操作探針臺(tái)壓下四探針頭,使樣品接通電流將四探針測(cè)試儀主機(jī)、測(cè)試臺(tái)、四探針探頭連接,接通電源開(kāi)啟主機(jī)測(cè)試薄圓片(厚度4mm)電阻率測(cè)試棒材或厚度大于4mm的厚片電阻率測(cè)試電阻測(cè)試薄層方塊電阻根據(jù)四種測(cè)試類別各自的測(cè)試電流計(jì)算公式得出測(cè)試電流值“K8”鍵在“I”電流狀態(tài)下調(diào)
18、節(jié)主機(jī)電位器使測(cè)試電流為算出的電流值切換“K8”按鍵到“/ R”測(cè)量狀態(tài)根據(jù)不同的測(cè)試類別切換“K7”鍵獲是樣品的電阻率、方塊電阻、電阻估計(jì)測(cè)試樣品的測(cè)量范圍確定測(cè)試的電流量程(K1K6鍵)按“K9”鍵進(jìn)行正反向測(cè)量,正反向測(cè)量值的平均值即為此點(diǎn)的實(shí)際值附表B:直徑修正系數(shù)F(D/S)與D/S值的關(guān)系位置 F(D/S)值D/S值 中心點(diǎn)半徑中點(diǎn)距邊緣6mm處>2004.5322004.5314.5314.4621504.5314.5294.4611254.5304.5284.4601004.5284.5254.458764.5264.5204.455604.5214.5134.45151
19、4.5174.5054.447384.5054.4854.439264.4704.4244.418254.47022.224.45420.004.43618.184.41716.674.39515.384.37214.284.34813.334.32212.504.29411.764.26511.114.23510.524.20410.004.171附表C:厚度修正系數(shù)F(W/S)與W/S值的關(guān)系W/S值F(W/S)W/S值F(W/S)W/S值F(W/S)W/S值F(W/S)<0.4001.00000.6050.99150.8150.96351.250.84910.4000.99970.
20、6100.99110.8200.96261.300.83360.4050.99960.6150.99070.8250.96161.350.81810.4100.99960.6200.99030.8300.96071.400.80260.4150.99950.6250.98980.8350.95971.450.78720.4200.99940.6300.98940.8400.95871.500.77190.4250.99930.6350.98890.8450.95771.550.75680.4300.99930.6400.98840.8500.95671.600.74190.4350.99920
21、.6450.98790.8550.95571.650.72730.4400.99910.6500.98740.8600.95461.700.71300.4450.99900.6550.98690.8650.95361.750.69890.4500.99890.6600.98640.8700.95251.800.68520.4550.99880.6650.98580.8750.95141.850.67180.4600.99870.6700.98530.8800.95041.900.65880.4650.99850.6750.98470.8850.94931.950.64600.4700.9984
22、0.6800.98410.8900.94822.000.63370.4750.99830.6850.98350.8950.94712.050.62160.4800.99810.6900.98290.9000.94592.100.60990.4850.99800.6950.98230.9050.94482.150.59860.4900.99780.7000.98170.9100.94372.200.58750.4950.99760.7050.98100.9150.94252.250.57670.5000.99750.7100.98040.9200.94132.300.56630.5050.997
23、30.7150.97970.9250.94022.350.55620.5100.99710.7200.97900.9300.93902.400.54640.5150.99690.7250.97830.9350.93782.450.53680.5200.99670.7300.97760.9400.93662.500.52750.5250.99650.7350.97690.9450.93542.550.51860.5300.99620.7400.97610.9500.93422.600.50980.5350.99600.7450.97540.9550.93292.650.50130.5400.99
24、570.7500.97460.9600.93172.700.49310.5450.99550.7550.97380.9650.93042.750.48510.5500,99520.7600.97310.9700.92922.800.47730.5550.99490.7650.97230.9750.92792.850.46980.5600.99460.7700.97140.9800.92672.900.46240.5650.99430.7750.97060.9850.92542.950.45530.5700.99400.7800.96980.9900.92413.000.44840.5750.9
25、9370.7850.96890.9950.92283.20.4220.5800.99340.7900.96801.000.92153.40.3990.5850.99300.7950.96721.050.90803.60.3780.5900.99270.8000.96631.100.89393.80.3590.5950.99230.8050.96541.150.87934.00.3420.6000.99190.8100.96441.200.8643實(shí)驗(yàn)二 半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)置于磁場(chǎng)中的載流體,如果電流方向與磁場(chǎng)垂直,則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場(chǎng),這個(gè)現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾
26、于1879年發(fā)現(xiàn)的,后被稱為霍爾效應(yīng)。如今霍爾效應(yīng)不但是測(cè)定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段,而且利用該效應(yīng)制成的霍爾器件已廣泛用于非電量的電測(cè)量、自動(dòng)控制和信息處理等方面。在工業(yè)生產(chǎn)要求自動(dòng)檢測(cè)和控制的今天,作為敏感元件之一的霍爾器件,將有更廣泛的應(yīng)用前景。掌握這一富有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn),對(duì)日后的工作將有益處。 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饣魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)原理以及有關(guān)霍爾器件對(duì)材料要求的知識(shí)。學(xué)習(xí)用“對(duì)稱測(cè)量法”消除副效應(yīng)的影響,測(cè)量試樣的VH-IS 、曲線。確定載流子濃度以及遷移率。 二、實(shí)驗(yàn)儀器霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀。三、實(shí)驗(yàn)原理圖1.1 霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理示意圖 a)載流子為電子(N型) b)載流子為空穴(P型)ab
27、1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中,這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積,從而形成附加的橫向電場(chǎng),即霍爾電場(chǎng)。如圖1.1所示的半導(dǎo)體試樣,若在X方向通以電流,在Z方向加磁場(chǎng),則在Y方向即試樣 A-A/ 電極兩側(cè)就開(kāi)始聚集異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。對(duì)圖1.1(a)所示的N型試樣,霍爾電場(chǎng)逆Y方向,(b)的P型試樣則沿Y方向。即有 顯然,霍爾電場(chǎng)是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移,當(dāng)載流子所受的橫向電場(chǎng)力與洛侖茲力相等,樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,故 (1-1
28、)其中為霍爾電場(chǎng),是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬為b,厚度為d,載流子濃度為n ,則 (1-2) 由(1-1)、(1-2)兩式可得: (1-3) 即霍爾電壓(A 、A電極之間的電壓)與乘積成正比與試樣厚度成反比。比例系數(shù)稱為霍爾系數(shù),它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。只要測(cè)出(伏)以及知道(安)、(高斯)和(厘米)可按下式計(jì)算(厘米3庫(kù)侖):RH (1-4)上式中的10是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度用電磁單位(高斯)而其它各量均采用CGS實(shí)用單位而引入。2霍爾系數(shù)與其它參數(shù)間的關(guān)系 根據(jù)可進(jìn)一步確定以下參數(shù): ()由的符號(hào)(或霍爾電壓的正負(fù))判斷樣品的導(dǎo)電類型。判別的方法是按圖1.1所示的
29、I和B的方向,若測(cè)得的即點(diǎn)點(diǎn)電位高于點(diǎn)的電位,則為負(fù),樣品屬N型;反之則為P型。 ()由RH求載流子濃度n。即。應(yīng)該指出,這個(gè)關(guān)系式是假定所有載流子都具有相同的漂移速度得到的,嚴(yán)格一點(diǎn),如果考慮載流子的速度統(tǒng)計(jì)分布,需引入的修正因子(可參閱黃昆、謝希德著半導(dǎo)體物理學(xué))。(3)結(jié)合電導(dǎo)率的測(cè)量,求載流子的遷移率。電導(dǎo)率與載流子濃度n以及遷移率之間有如下關(guān)系: (1-5) 即,測(cè)出值即可求。3霍爾效應(yīng)與材料性能的關(guān)系根據(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)的材料。因,就金屬導(dǎo)體而言,和均很低,而不良導(dǎo)體雖高,但極小,因而上述兩種材料的霍爾系數(shù)都很小,不能
30、用來(lái)制造霍爾器件。半導(dǎo)體高,適中,是制造霍爾元件較理想的材料,由于電子的遷移率比空穴遷移率大,所于霍爾元件多采用N型材料,其次霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比,因此薄膜型的霍爾元件的輸出電壓較片狀要高得多。就霍爾器件而言,其厚度是一定的,所以實(shí)用上采用來(lái)表示器件的靈敏度,稱為霍爾靈敏度,單位為。4實(shí)驗(yàn)方法 (1)霍爾電壓的測(cè)量方法 值得注意的是,在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí),因伴隨著各種副效應(yīng),以致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的、兩極間的電壓并不等于真實(shí)的霍爾電壓值,而是包含著各種副效應(yīng)所引起的附加電壓,因此必須設(shè)法消除。根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理可知,采用電流和磁場(chǎng)換向的對(duì)稱測(cè)量法,基本上能把副效應(yīng)的影響從測(cè)量結(jié)果中消除。即
31、在規(guī)定了電流和磁場(chǎng)正、反方向后,分別測(cè)量由下列四組不同方向的和組合的(、兩點(diǎn)的電位差)即:, , , , 然后求、和的代數(shù)平均值。 (1-6) 通過(guò)上述的測(cè)量方法,雖然還不能消除所有的副效應(yīng),但其引入的誤差不大,可以略而不計(jì)。 (2)電導(dǎo)率的測(cè)量可以通過(guò)圖1.1所示的、(或A/、)電極進(jìn)行測(cè)量,設(shè)、間的距離為,樣品的橫截面積為,流經(jīng)樣品的電流為,在零磁場(chǎng)下,若測(cè)得A、C間的電位差為(即),可由下式求得: (1-7)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1掌握儀器性能,連接測(cè)試儀與實(shí)驗(yàn)儀之間的各組連線(1)開(kāi)關(guān)機(jī)前,測(cè)試儀的“IS調(diào)節(jié)”和“IM調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位(即逆時(shí)針旋到底)。(2)按圖1.2 連接測(cè)試儀與實(shí)驗(yàn)儀之間
32、各組連線。注意:樣品各電極引線與對(duì)應(yīng)的雙刀開(kāi)關(guān)之間的連線已由制造廠家連接好,請(qǐng)勿再動(dòng)!嚴(yán)禁將測(cè)試儀的勵(lì)磁電源“IM輸出”誤接到實(shí)驗(yàn)儀的 “IS輸入”或“、輸出”處,否則,一旦通電,霍爾樣品即遭損壞! 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,A、C或A/、C/用于測(cè)量電導(dǎo),D、E為樣品工作電流電極。樣品的尺寸及參數(shù)在儀器左上方的小塑料袋里。儀器出產(chǎn)前,霍爾片已調(diào)至中心位置。霍爾片性脆易碎,電極甚細(xì)易斷,嚴(yán)防撞擊,或用手去摸,否則,即遭損壞! 霍爾片放置在電磁鐵空隙中間,在需要調(diào)節(jié)霍爾片位置時(shí),必須謹(jǐn)慎,切勿隨意改變y軸方向的高度,以免霍爾片與磁極面磨擦而受損?;魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)儀接線
33、示意圖圖1.2實(shí)驗(yàn)線路連接裝置圖(3)接通電源,預(yù)熱數(shù)分鐘,電流表顯示“.000”,電壓表顯示為“0.00”。(4)電流表所示的值即隨“IS調(diào)節(jié)”旋鈕順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)而增大,其變化范圍為0-10mA,此時(shí)電壓表所示讀數(shù)為“不等勢(shì)”電壓值,它隨IS增大而增大,IS換向,極性改號(hào)(此乃“不等勢(shì)”電壓值,可通過(guò)“對(duì)稱測(cè)量法”予以消除)。2測(cè)繪曲線將測(cè)試儀的“功能切換”置,及換向開(kāi)關(guān)擲向下方,表明及均為正值(即沿X軸方向,沿Y軸方向)。反之,則為負(fù)。保持值不變(取0.600A),改變的值,取值范圍為。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量值記入表1.1中。表1.1 0.600A 取值范圍為IS(mA) V1(mV)V2(mV)V3(m
34、V)V4(mV) +IS 、+B+IS 、-B-IS 、-B-IS 、+B1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 4.00 3測(cè)繪曲線保持值不變(取3.00mA),改變的值,取值范圍為。將測(cè)量數(shù)據(jù)記入表1.2中。表1.2 3.00m
35、A 取值范圍為IM(A)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV) +IS 、+B+IS 、-B-IS 、-B-IS 、+B0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 4測(cè)量值在零磁場(chǎng)下(),把測(cè)試儀右上H
36、L鍵置H位置,實(shí)驗(yàn)儀VH位置的紅線并到位置的紅線,VH位置的黑線并到位置的黑線上,取0.5mA,測(cè)量(即)。注意:取值不要大于1mA,以免過(guò)大使毫伏表超量程(此時(shí)首位數(shù)碼顯示為1,后三位數(shù)碼熄滅)。5求樣品的和值(B值由霍爾靈敏度KH求得,B=VH/Kh.Is)實(shí)驗(yàn)三 橢偏法測(cè)氧化鋯(ZrO2)層的厚度及折射率一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解的WJZ橢偏儀組成、原理和使用方法;2、了解橢偏法測(cè)量的基本原理;3、能對(duì)給定的物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、處理。二、實(shí)驗(yàn)原理1、介質(zhì)膜的測(cè)量使一束自然光經(jīng)起偏器變成線偏振光。再經(jīng)1/4波片,使它變成橢圓偏振光入射在待測(cè)的膜面上。反射時(shí),光的偏振狀態(tài)將發(fā)生變化
37、。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)。2、橢偏方程與薄膜折射率和厚度的測(cè)量圖一所示為一光學(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n1的空氣(或真空)。中間是一層厚度為d折射率為n2的介質(zhì)薄膜,均勻地附在折射率為n3的襯底上。當(dāng)一束光射到膜面上時(shí),在界面1和界面2上形成多次反射和折射,并且各反射光和折射光分別產(chǎn)生多光束干涉。其干涉結(jié)果反映了膜的光學(xué)特性。圖一根據(jù)電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程和邊界條件及菲涅爾反射系數(shù)公式,我們可以推導(dǎo)出如下橢偏方程(推導(dǎo)過(guò)程略)其中和稱為橢偏參數(shù)并具有角度量值,是n1,n2,n3,(入射角),和d的函數(shù),由
38、于n1,n3,為已知量,和由實(shí)驗(yàn)中測(cè)取,通過(guò)相關(guān)計(jì)算可得出薄膜折射率n2和厚度d。一般采用查表法或計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是,當(dāng)n1和n2為實(shí)數(shù)時(shí),厚度d為一個(gè)周期數(shù),其第一周期厚度d0為:本實(shí)驗(yàn)只能計(jì)算d0,若實(shí)際膜厚大于d0,可用其他方法(如干涉片)確定所在的周期數(shù)j,且總膜度為:三、實(shí)驗(yàn)裝置儀器結(jié)構(gòu)如下:1、WJZ橢偏儀結(jié)構(gòu) 如圖二所示:1、白屏目鏡2、望遠(yuǎn)鏡筒3、檢偏器讀數(shù)頭(與6可換用)4、光孔盤5、1/4波片讀數(shù)頭6、起偏器讀數(shù)頭7、平行光管8、小孔光欄9、激光器座(擴(kuò)束裝置)10、黑色反光鏡11、試樣臺(tái)12、分光計(jì)13、氧化鋯標(biāo)準(zhǔn)樣板圖二激光器座(9)可以作水平、高低方位角調(diào)節(jié)
39、和上下升降調(diào)節(jié)。小孔光欄(8)保證激光器發(fā)出的激光束垂直照射在起偏器的中心。起偏器讀數(shù)頭(6),1/4波片讀數(shù)頭(5)和檢偏器讀數(shù)頭(3)的度盤分別刻有360等分的刻線,格值為1o,游標(biāo)讀數(shù)為0.1o。試樣臺(tái)(11)固定在分光計(jì)載物臺(tái)上,借助載物臺(tái)的三只調(diào)平螺釘使被測(cè)透明薄膜樣品面與旋轉(zhuǎn)中心線垂直。光孔盤(4)是為防止雜散光進(jìn)入檢偏器而附設(shè)的,由于本機(jī)光路調(diào)整較難,一般測(cè)量時(shí)可卸下不用。為改善觀察效果,出射光束經(jīng)白屏目鏡(1)放大后進(jìn)行觀察。分光計(jì)(12)為我廠定型產(chǎn)品JJY1分光計(jì)。* WJZ型 打開(kāi)裝置箱的門,將箱底的三只固定螺釘旋出,即可取出激光裝置。然后分別取出起偏器和檢偏器讀數(shù)頭、小
40、孔光欄、試樣臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)樣板、白屏目鏡等。擦去各部件表面上的污物,然后仔細(xì)按儀器調(diào)整步驟進(jìn)行調(diào)整。 四、儀器調(diào)整步驟 WJZ調(diào)整步驟如下:1、用自準(zhǔn)直法調(diào)整好分光計(jì)(請(qǐng)參照J(rèn)JY1分光計(jì)說(shuō)明書),使望遠(yuǎn)鏡和平行光管共軸并與載物臺(tái)平行。2、分光計(jì)度盤的調(diào)整:使游標(biāo)與刻度盤零線置適當(dāng)位置,當(dāng)望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)不致無(wú)法讀數(shù)。3、光路調(diào)整。(1)卸下望遠(yuǎn)鏡和平行光管的物鏡(本實(shí)驗(yàn)中可不用)。(2)取下擴(kuò)束裝置的擴(kuò)束鏡(本實(shí)驗(yàn)中不需用),點(diǎn)亮激光,調(diào)整裝置的方位,使完全平行射入。(技巧:把黑色反光鏡放在載物臺(tái)上作反光鏡用,通過(guò)調(diào)整裝置中的(10)、(12)螺釘,使入射光與反射光完全重合,調(diào)整后不能動(dòng)此兩螺
41、釘,高度只需調(diào)節(jié)(11)螺母即可)。(3)通過(guò)調(diào)整平行光管、望遠(yuǎn)鏡的各上下、水平調(diào)節(jié)螺釘,在離阿貝目鏡后的約一米處一白紙上成一均勻圓光斑,通過(guò)調(diào)節(jié)目鏡視度手輪,即見(jiàn)清晰的十字絲像,注意光斑不可有橢圓或切割現(xiàn)象,此時(shí)光路調(diào)節(jié)完成。特別說(shuō)明:上述(2)、(3)兩步驟比較難,而其調(diào)整正確與否將直接影響后面測(cè)量結(jié)果的精度,所以需要耐心應(yīng)對(duì)(一般耗費(fèi)兩課時(shí));如要求不高,可由老師完成光路調(diào)節(jié),讓學(xué)生直接后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。(4)卸下阿貝目鏡,換上白屏目鏡。4、檢偏器讀數(shù)頭位置的調(diào)整與固定。(1)將檢偏器讀數(shù)頭套在望遠(yuǎn)鏡筒上,90o讀數(shù)朝上,位置基本居中。(2)將附件黑色反光鏡置于載物臺(tái)中央,將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過(guò)66
42、176;(與平行光管成114°夾角),使激光束按布儒斯特角(約57°)入射到黑色反光鏡表面并反射入望遠(yuǎn)鏡到達(dá)白屏上成為一個(gè)圓點(diǎn)。(3)轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)檢偏器讀數(shù)頭使調(diào)整與望遠(yuǎn)鏡筒的相對(duì)位置(此時(shí)檢偏器讀數(shù)應(yīng)保持90°不變),使白屏上的光點(diǎn)達(dá)到最暗。這時(shí)檢偏器的透光軸一定平行于入射面,將此時(shí)檢偏器讀數(shù)頭的位置固定下來(lái)(擰緊三顆平頭螺釘)。5、起偏器讀數(shù)頭位置的調(diào)整與固定。(1)將起偏器讀數(shù)頭套在平行光管鏡筒上,此時(shí)不要裝上1/4波片,0o讀數(shù)朝上,位置基本居中。(2)取下黑色反光鏡,將望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)轉(zhuǎn)回原來(lái)位置,使起、檢偏器讀數(shù)頭共軸,并令激光束通過(guò)中心。(3)調(diào)整起偏器讀數(shù)頭
43、與鏡筒的相對(duì)位置(此時(shí)起偏器讀數(shù)應(yīng)保持0°不變),找出最暗位置。定此值為起偏器讀數(shù)頭位置,并將三顆平頭螺釘擰緊。6、1/4波片零位的調(diào)整(1)起偏器讀數(shù)保持0°,檢偏器讀數(shù)保持90°,此時(shí)白屏上的光點(diǎn)應(yīng)最暗。(2)將1/4波片讀數(shù)頭(即內(nèi)刻度圈)對(duì)準(zhǔn)零位。(3)將1/4波片框的紅點(diǎn)(即快軸方向記號(hào))向上,套在內(nèi)刻圈上,并微微轉(zhuǎn)動(dòng)(注意不要帶動(dòng)刻度圈)。使白屏上的光點(diǎn)達(dá)到最暗,定此位置為1/4波片的零位。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將儀器按照橢偏儀的調(diào)整中所述的方法調(diào)整好。1、將被測(cè)樣品,放在載物臺(tái)的中央,旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)使達(dá)到預(yù)定的入射角70°,即望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過(guò)40°,
44、并使反射光在目鏡上形成一亮點(diǎn)。2、為了盡量減少系統(tǒng)誤差,采用四點(diǎn)測(cè)量。先置1/4波片快軸于+45°,仔細(xì)調(diào)節(jié)檢偏器A和起偏器P,使目鏡內(nèi)的亮點(diǎn)最暗(或檢流計(jì)值最小),記下A值和P值,這樣可以測(cè)得兩組消光位置數(shù)值。其中A值分別大于90°和小于90°,分別定為A1(>90°)和A2(<90°),所對(duì)應(yīng)的P值為P1和P2。然后將1/4波片快軸轉(zhuǎn)到-45°,也可找到兩組消光位置數(shù)值,A值分別記為A3(>90°)和A4(<90°),所對(duì)應(yīng)的P值為P3和P4。將測(cè)得的4組數(shù)據(jù)經(jīng)下列公式換算后取平均值,就
45、得到所要求的A值和P值:(1) A1-90 ° =A(1)Pl=P(1)(2) 90°-A2=A(2)P2+90° =P(2)(3) A3-90°=A(3)270°-P3=P(3)(4) 90°-A4=A(4)180°-P4=P(4)A=A(1)+A(2)+A(3)+A(4)÷4 P=P+P+P+P÷4注:上述公式公適用于A和P值在0-180°范圍的數(shù)值,若出現(xiàn)大于180°的數(shù)值時(shí)應(yīng)減去180°后再換算。根據(jù)測(cè)量得到的A和P值,分別在A值數(shù)表和P值數(shù)表的同一個(gè)縱、橫位置上找出
46、一組與測(cè)算值近似的A和P值,就可對(duì)應(yīng)得出薄膜厚度d和折射率n。(數(shù)據(jù)處理建議使用儀器所配套的軟件,詳見(jiàn)軟件說(shuō)明書)。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求根據(jù)實(shí)驗(yàn),完成一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。測(cè)量透明介質(zhì)薄膜厚度和折射率。實(shí)驗(yàn)四 半導(dǎo)體材料位錯(cuò)的顯示及晶向的確定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(1)掌握光學(xué)顯微鏡的使用方法 (2)熟悉半導(dǎo)體材料硅單晶片的位錯(cuò)顯示方法 (3)掌握通過(guò)晶體位錯(cuò)缺陷形狀來(lái)確定晶向的方法二、測(cè)試儀器與樣品MA1001反射式工業(yè)檢驗(yàn)顯微鏡、硅單晶片。三、實(shí)驗(yàn)原理 在硅單晶中,有位錯(cuò)的地方其原子的排列失去規(guī)則性,結(jié)構(gòu)比較松散,在這里的原子具有較高的能量,并受到較大的張力,因此在位錯(cuò)線和表面相交處很容易被腐蝕形成凹下
47、的坑,即所謂腐蝕坑,我們正是利用這個(gè)特性來(lái)顯示位錯(cuò)的。 硅的晶體結(jié)構(gòu)是金剛石結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)的晶向如圖所示。(a)(100)晶面 (b) (110)晶面 (c) (111)晶面圖1 簡(jiǎn)單立方晶系中典型的晶向由于位錯(cuò)是一種線缺陷,晶格畸變是沿著一條線延伸下來(lái)的,貫穿于整個(gè)晶體,終止在表面或形成閉環(huán),因此在表面的交點(diǎn)是一個(gè)點(diǎn)狀小區(qū)域。在腐蝕液作用下?lián)駜?yōu)腐蝕形成蝕坑。在(111)晶面為表面時(shí),其蝕坑是一倒置正四面體(三角錐體),從表面看呈實(shí)心三角形。在(100)晶面為表面時(shí),其蝕坑是一倒置四棱錐體,從表面看呈實(shí)心正方形。在(110)晶面為表面時(shí),其蝕坑為兩個(gè)對(duì)頂三角錐體,從表面看呈兩個(gè)對(duì)頂實(shí)心等腰三角形。
48、其蝕坑大小隨腐蝕時(shí)間增加而增大,蝕坑數(shù)量不變。 (a)(111)面 (b)(100)面 (c)(110)面圖2 不同晶面位錯(cuò)腐蝕坑示圖位錯(cuò)有兩種基本類型:刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò),刃型位錯(cuò)發(fā)生在額外的原子半平面的終端,如果晶體受到圖示的切應(yīng)力,晶體將會(huì)由于化學(xué)鍵沿著切應(yīng)力方向移動(dòng)二發(fā)生變形,產(chǎn)生位錯(cuò)。已經(jīng)存在的位錯(cuò)受力作用時(shí),將會(huì)以滑移方式在滑移面上沿著垂直于位錯(cuò)線的方向運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)線與滑移矢是相互垂直的,這種位錯(cuò)為刃型位錯(cuò),就象一個(gè)刀邊或刀刃一樣,如圖3所示。如果滑移面與滑移方向變成一個(gè)連續(xù)螺旋面,這種位錯(cuò)為螺型位錯(cuò),如圖4所示。 圖3 刃型位錯(cuò)與晶體表面的交點(diǎn)圖4 螺旋位錯(cuò)形成示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察
49、晶體表面缺陷,根據(jù)腐蝕坑形狀確定晶體的晶向。 五、顯微鏡的結(jié)構(gòu)和使用方法1、MA1001反射式工業(yè)檢驗(yàn)顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖如下567812341、目鏡,2、物鏡,3、載物臺(tái),4、基座,5、電源,6、微動(dòng)調(diào)焦手輪,7、粗動(dòng)調(diào)焦手輪,8、光源圖3 MA1001反射式工業(yè)檢驗(yàn)顯微鏡2、使用方法 用鑷子把樣品(腐蝕過(guò)的硅片)放到載物臺(tái)上,先選用低倍鏡進(jìn)行調(diào)焦觀察:眼看物鏡,旋轉(zhuǎn)粗動(dòng)調(diào)焦手輪使鏡筒徐徐下降,直到使物鏡接近樣品。左眼看目鏡(右眼睜開(kāi)),旋轉(zhuǎn)粗動(dòng)調(diào)焦手輪,使鏡筒徐徐上升,直到看到缺陷,再用微動(dòng)調(diào)焦手輪做微調(diào),使缺陷圖像清晰(動(dòng)作要輕、要緩、防止鏡頭接觸樣品,以免壓破樣品,劃傷鏡頭)。然后再換用高倍鏡頭進(jìn)行微調(diào)觀察:換上高倍鏡頭后視野中即有模糊圖像,調(diào)節(jié)細(xì)準(zhǔn)焦螺旋使圖像清晰。另外可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓大小來(lái)改變光的強(qiáng)弱,以便觀察樣品。六、實(shí)驗(yàn)步驟1.觀察晶體表面缺陷,確定晶體的晶向 用顯微鏡觀察晶體表面缺陷結(jié)構(gòu)形狀,再通過(guò)對(duì)照?qǐng)D2所示來(lái)確定晶體的晶向。七、思考題 1.位錯(cuò)是怎樣形成的?它們對(duì)器件都有什么影響? 2試探
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