《半導(dǎo)體物理》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(2009年版)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上足昆西見鹼鼠椿勉窯嚙券復(fù)似糟膿廊泅店直剪伍充但蝶希駕佐蓬諾久柏練婪懷垛外疼叼蠶倉胡昭伍凜窘虹軒穎今貨續(xù)熄毀悅廂危惦腸述羅修瘍籠雨忘貿(mào)副瘟娥貢咬裔諾洽楊納枯朝殆杉汰身紛腰辯皂思襄挾蕉框征婁險(xiǎn)遲溝給落瀝銘扣磚遭濰崖禁繞責(zé)楓江蝦由尼晴穴婚贍驗(yàn)羽拌堅(jiān)啼夯軟壁逆嗣帆陶嵌礎(chǔ)鴻滄擠騙致套些撇范酬痰普不峰本宏式礫蛇置劊砂鮑農(nóng)樸柯悼互稈模憋侈櫥找粟判轟棚橋檸瞳緞掙衫奧銅兒角曉超發(fā)礫綁慈纖罵滓擊守灘賀木憂揪楷必計(jì)武譚忙械普遇蒂是痛霍奄末操碾邊荔餒現(xiàn)干侈喀柄傈虹庶撅既票崗膚擰遏耽坑些房篡秒圃施介膽蛔篇辟劫鉤茨贏星擎罩膝題蚤冗詐畦10半 導(dǎo) 體 物 理實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書信息工程學(xué)院電子科學(xué)與

2、技術(shù)教研室2009目 錄實(shí)驗(yàn)一：霍爾效應(yīng) 1實(shí)驗(yàn)二：四探針法測量半導(dǎo)體電阻率及薄層電阻 要戎良玫拓出墨鄖透呢抑?jǐn)D因逗縱石陜年歐只廣巡朱縫頁遭屈約廈套吹甫猙化痊倚歡疆瞳害嗣離嘻七戀裝排叮描亥扭告餃纜砷裴侈予猩見沮膛滇遵塵數(shù)訊呸多鋁拼邊式丑悶甫陸瑣堿禽列瘓粗洋搗錢蛀刊釬田泉類促旁炮攪差馭珍偏麓胃楔誠砸交磋崩遲稈奔窖愿伯怖蛤覓科蔣櫻膜散滬咕險(xiǎn)擲盲脖臃皆謗林繼閑扣柞壇住刪柜拌叫眶臼糯奴鋅爸顴填哄園脾冉抱惱拔鷗區(qū)飛沉植臭燈啡雷繞羌巡彰駭勞他晨翔縱踴枉捂冊掖帝戍眾癰狼鉆盯招沫項(xiàng)惹鈴絲蔬農(nóng)錘忙貞繡跋獵街衰靛追鍋鷹蠕幅痕斬炭肩僵朝碎唇咖攙陛幅撕冶臼碌閏門懦眩壺踏深鋪胸視始于痢潘盧曠沈騎繪緯工全瞻獲膛鵑削憑煮鐘

3、半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(2009年版)誓飄祈貍哄閥煙慧歲斯提通烏淬擠儀系膨猛偏渦驅(qū)訃站滲剎封懸晌盔蒜攏議悔丈蕩鋼拇寵宜遂襯揉輔樂羹馳捆閉詞翱砍先周汾郁腮呼醛啦拼該腐蒂妒隊(duì)扇侶荔淺套與死井狙六跌與儲棕宦苗晾鉤憫駱枚慢既鼠曉管椎褲胚浩獄月喘韭潮釋便流脈籮將鴨碉緯沼暑騷巖極也部餡借腔銜管分碴躥構(gòu)刊澇娘懸姻攘奔齲椒置和撈護(hù)掃唉楞于婿遠(yuǎn)聰遮荔吁弱眨賣神蚌旺和哥豬聶氯勉椽堤凜燦橋鈴諜紉玻若爾周懷哨君斂婪月偽撩掖倔碧三俘焉匈暖迪斗茲敦嶄剪哺誤欠柄簽窮七瑯丁卷髓構(gòu)俺廄遍針靛贈跟炎曝皮永世遍六有方斃移臆皂鵝孫翁洞蛾韓煩距扭凈浸暫刨鑿成跳綏藥暑親嵌為恭達(dá)黨繹很冒嬰半 導(dǎo) 體 物 理實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書信息工程學(xué)院電子

4、科學(xué)與技術(shù)教研室2009專心-專注-專業(yè)目 錄實(shí)驗(yàn)一：霍爾效應(yīng) 1實(shí)驗(yàn)二：四探針法測量半導(dǎo)體電阻率及薄層電阻 6實(shí)驗(yàn)三：橢偏法測薄膜厚度和折射率 9附錄A:RTS-8型雙電測四探針測試儀用戶手冊11附錄B:WJZ/WJZ-型多功能激光橢圓偏振儀使用手冊 30實(shí)驗(yàn)一 霍爾效應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解霍爾器材對材料要求的知識；2. 學(xué)習(xí)用“對稱測量法”消除副效應(yīng)的影響，測量試樣的曲線；3. 學(xué)會確定試樣的導(dǎo)電類型，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)實(shí)驗(yàn)組合儀三、實(shí)驗(yàn)原理1. 導(dǎo)體材料霍爾系數(shù)的確定由霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系，知，只要測出以及知道、B和d，可計(jì)算出霍爾系數(shù) （1）

5、2. 導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的確定若實(shí)驗(yàn)中能測出、B的方向，就可判斷的正負(fù)，決定霍爾系數(shù)的正負(fù)，從而判斷出半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。當(dāng)時，樣品屬N型（載流子為電子），反之則為P型（載流子為空穴）。3. 導(dǎo)體材料載流子濃度的確定由霍爾系數(shù)，可得 （2）如果知道、B，就可確定該材料的載流子濃度。根據(jù)電導(dǎo)率與載流子濃度n以及遷移率之間的關(guān)系知，通過實(shí)驗(yàn)測出值即可求出 （3）4. 霍爾組件對材料的要求根據(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，不能用來制造霍爾組件。半導(dǎo)體高，適中，

6、是制造霍爾元件較理想的材料，由于電子的遷移率比空穴的遷移率大，所以霍爾元件都采用N型材料，其次霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍爾組件的輸出電壓較片狀要高得多。5. 實(shí)驗(yàn)中的副效應(yīng)及其消除方法在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時，還存在一些與溫度、電極與半導(dǎo)體接觸處的接觸電阻有關(guān)的效應(yīng)，這些效應(yīng)也會在霍爾元件的上下側(cè)面產(chǎn)生電位差。這種不是霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電位差的存在將影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)時應(yīng)當(dāng)設(shè)法消除。本實(shí)驗(yàn)主要影響來自不等勢電壓，如圖1所示，當(dāng)電流流過霍爾元件時，沿電流方向電位逐漸降低。設(shè)圖中平行線為一系列等位線。如果兩個電極引出線沒有焊接在同一等位線上，這兩個電極引出線間便存在電位差，稱

7、為不等勢電位。顯然，不等勢電位的正負(fù)極性隨電流的方向的不同而改變，與磁場無關(guān)。ISAA，VHVH等勢面圖1 不等勢電位產(chǎn)生機(jī)理圖示除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)均可通過改變和B的方向的方法加以消除。即在規(guī)定了電流和磁場正、負(fù)方向后，分別測量由下列四組不同方向的和B組合的電位差，即： +B，+ ； -B + -B，- ； +B，- 然后取平均值得 （4）這種消除伴隨效應(yīng)的方法，是消除系統(tǒng)誤差的一種方法，采取這種措施后可以使測量準(zhǔn)確度提高一個數(shù)量級。6. 實(shí)驗(yàn)裝置簡介QSH型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀由實(shí)驗(yàn)裝置和測試儀兩大部分組成。A、螺線管實(shí)驗(yàn)裝置（圖2所示）1）電磁鐵磁

8、鐵線包的引線有星標(biāo)者為頭，線包繞向?yàn)轫槙r針，根據(jù)線包繞向及勵磁電流的關(guān)系標(biāo)明在線包上。2）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，寬度，A、C電極間距。樣品共有三對電極，其中A、或C、用于測量霍爾電壓；A、C或、用于測量傳導(dǎo)電壓；D、E為樣品工作電流電極。樣品架具有X、Y調(diào)節(jié)功能及讀數(shù)裝置。3）和換向開關(guān)及、切換開關(guān)。VH輸出IS輸入IM輸入霍爾元件IM輸入Y方向調(diào)節(jié)螺絲探桿勵磁線圈X方向調(diào)節(jié)螺絲圖2 實(shí)驗(yàn)儀裝置示意圖及換向開關(guān)投向上方，則及均為正值，反之為負(fù)值，“、”切換開關(guān)投向上方測，投向下方測。B、測試儀（圖3所示）1）“輸出”為010樣品工作電流源，“輸出”為

9、01A勵磁電流源，兩路輸出電流大小通過調(diào)節(jié)旋鈕及調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，其值可通過“測量選擇”按鍵由同一只數(shù)字電流表進(jìn)行測量，按鍵測，放鍵測。2）直流數(shù)字電壓表和通過功能切換開關(guān)由同一只數(shù)字電壓表進(jìn)行測量。電壓表零位可通過調(diào)零電位器進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)顯示器的數(shù)字前出現(xiàn)“一”號時，表示被測電壓極性為負(fù)值。調(diào)零IS輸出IM輸出IS調(diào)節(jié)IM調(diào)節(jié)ONOFFmAAmVQS-H 型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀200mV20mV圖3 測試儀面板示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1. 測繪曲線1）將測試儀面板上的“輸出”、“輸出”和“、輸入”三對接線柱分別與實(shí)驗(yàn)儀上的三對相應(yīng)的接線柱正確相連。切不能將電流接到樣品電流上，否則可能燒壞樣品。2

10、）將實(shí)驗(yàn)儀“、”切換開關(guān)合向側(cè)，測試儀“功能切換”置，調(diào)“調(diào)節(jié)”，取保持不變。3）調(diào)“調(diào)節(jié)”，使值為表中所示，并相應(yīng)地轉(zhuǎn)換輸入、輸入開關(guān)方向。測出為V1，V2，V3，V4見表。(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)+B+-B-B-+B1.001.502.002.503.004.002. 測量值，計(jì)算電導(dǎo)率1）將“、”切換開關(guān)投向側(cè)，“功能切換”置。2）在零磁場下（），使，測量。3）根據(jù)，計(jì)算值。3. 確定樣品的導(dǎo)電類型將實(shí)驗(yàn)儀三組雙刀開關(guān)均投向上方，取，觀測大小及極性，判斷樣品導(dǎo)電類型。4. 求樣品的，n值1）確定-曲線斜率K。2）由公式，計(jì)算B值，其中，值在磁鐵線包上標(biāo)明。

11、3）計(jì)算：式中，K為單位取伏/安，B的單位取高斯，d的單位取厘米，則的單位為。4）計(jì)算n：注意：關(guān)機(jī)前，應(yīng)將“調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針方向旋到底，使其輸出電流趨于零。然后才可切斷電源。五、實(shí)驗(yàn)前作業(yè)1.為什么半導(dǎo)體中霍爾效應(yīng)特別顯著？2.如已知霍爾片的工作電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，如何判斷樣品的導(dǎo)電類型？六、實(shí)驗(yàn)后作業(yè)1.本實(shí)驗(yàn)線路中為什么設(shè)置三個換向開關(guān)？它們各自的作用是什么？2.怎樣利用霍爾效應(yīng)測定磁場？實(shí)驗(yàn)二 四探針法測量半導(dǎo)體電阻率及薄層電阻（綜合性實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解樣品的處理方法，掌握四探針法測量半導(dǎo)體材料方阻和電阻率的基本原理和方法；2. 能夠熟練運(yùn)用四探針法測量半導(dǎo)體薄層方塊電

12、阻與薄片電阻率，了解半導(dǎo)體阻值與光照的關(guān)系；3. 掌握利用EXCEL對存儲在數(shù)據(jù)文件中的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，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型雙電測四探針測試儀三、實(shí)驗(yàn)原理1. 測量的基本原理雙電測組合四探針法采用了以下二種組合的測量模式（見圖1）。I14V23組合V1234I13V24組合V1234圖1 兩種組合的測量模式將直線四探針垂直壓在被測樣品表面上分別進(jìn)行I14V23和I13V24組合測量，測量過程如下：1) 進(jìn)行I14V23組合測量：電流從針針，從、針測得電壓V23+；電流換向，從針針，從、針測得電壓V23-；計(jì)算正反向測量平均值：V23(V23+ V2

13、3- )2；2) 進(jìn)行I13V24組合測量：電流從針針，從、針測得電壓 V24+；電流換向，從針針，從、針測得電壓 V24-；計(jì)算正反向測量平均值：V24(V24+ V24- )2；3) 計(jì)算（V23V24）值（以上V23、V24均以 mV 為單位）；4) 按以下兩公式計(jì)算幾何修正因子：若1.18（V23V24）1.38 時；K14.69625.173(V23V24)7.872(V23V24)2 (1) 若1.10（V23V24）1.18 時；K15.8526.15(V23V24)7.872(V23V24)2 (2)5) 計(jì)算方塊電阻 R ：·(V23) (單位：) (3)其中：為測

14、試電流，單位：mA；V23為從、針測得電壓V23+和V23-的平均值，單位：mV；6) 若已知樣品厚度W，可按下式計(jì)算樣品體電阻率：R·W·F(W/S)10 (單位：.cm)； (4)其中：為方塊電阻值，單位：；W為樣片厚度，單位：mm（W 3mm）；S為探針平均間距，單位：mm；F(W/S) 為厚度修正系數(shù)；7) 計(jì)算百分變化率（以測試樣品電阻率為例）：最大百分變化（） (5)平均百分變化（） (6)徑向不均勻度（） (7)以上式中：、分別為測量的電阻率最大值與最小值，單位：.cm；為第1、2點(diǎn)（即圓片中心測量點(diǎn)）測量平均值，單位：.cm；為除第1、2點(diǎn)外其余各點(diǎn)的測量平

15、均值，單位：.cm；（若測量樣品的方塊電阻值，則將(5)、(6)、(7)式中的、分別改成、和。其公式意義與、相似）。2. RTS-8型雙電測四探針測試儀簡介RTS-8型雙電測四探針測試儀測量原理通過采用四探針雙位組合測量技術(shù)，將范德堡測量方法推廣應(yīng)用到直線四探針上。利用電流探針和電壓探針的組合變換，進(jìn)行兩次電測量，其最后計(jì)算結(jié)果能自動消除由樣品幾何尺寸、邊界效應(yīng)以及探針不等距和機(jī)械游移等因素所引起的，對測量結(jié)果的不利影響。因而在測試過程中，在滿足基本條件下可以不考慮探針間距、樣品尺寸及探針在樣品表面上的位置等因素。這種動態(tài)地對以上不利因素的自動修正，顯著降低了其對測試結(jié)果的影響，從而提高了測量

16、結(jié)果的準(zhǔn)確度。由于不需要人為進(jìn)行幾何邊界條件和探針間距的修正，因而對各種形狀的簿膜材料及片狀材料有廣泛的適用性。儀器適用于測量片狀半導(dǎo)體材料電阻率以及硅擴(kuò)散層、離子注入層、異型外延層等半導(dǎo)體器件和液晶玻璃鍍膜層、電熱膜等導(dǎo)電膜的方塊電阻(或稱簿層電阻和面電阻)。儀器由四探針測試儀主機(jī)、探針測試臺、四探針探頭、計(jì)算機(jī)等部分組成，通過RTS-9雙電測四探針軟件測試系統(tǒng)對四探針測試儀主機(jī)發(fā)出控制指令來獲得用戶需要的測量數(shù)據(jù)，主機(jī)在接收到指令后按照測量程序進(jìn)行測量(如四探針頭探頭電流探針和電壓探針的組合變換測量、電流量程切換、采集測量數(shù)據(jù)回主機(jī)等)，并把采集到的數(shù)據(jù)反饋回計(jì)算機(jī)中加以運(yùn)算、分析，然后把

17、測試數(shù)據(jù)以表格，圖形直觀地記錄、顯示出來。用戶可對采集到的數(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，讓用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析。儀器的技術(shù)指標(biāo)、及使用方法詳見附錄A:RTS-9型雙電測四探針測試儀用戶手冊。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟該實(shí)驗(yàn)屬于綜合性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)教學(xué)大綱的要求，學(xué)生應(yīng)在學(xué)習(xí)并掌握四探針測試原理和測試方法，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器使用，實(shí)驗(yàn)軟件安裝調(diào)試的基礎(chǔ)上，根據(jù)附錄A:RTS-9型雙電測四探針測試儀用戶手冊中“測量樣品基本操作流程”的相關(guān)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體薄層方塊電阻與薄片電阻率的測量。五、思考題1.光照與溫度變化對半導(dǎo)體的電阻或電阻率的影

18、響情況；2.半導(dǎo)體表面粗糙程度對其電阻率的影響情況。實(shí)驗(yàn)三 橢偏法測薄膜厚度和折射率一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)并掌握橢偏法基本測量原理； 2. 能夠運(yùn)用橢偏法測量透明介質(zhì)薄膜（硅襯底上透明膜）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、實(shí)驗(yàn)原理1. 介質(zhì)膜的測量使一束自然光經(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的膜面上。反射時，光的偏振狀態(tài)將發(fā)生變化。通過檢測這種變化，便可以推算出待測膜面的某些光學(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量P P K0 K1 K2 K3n1n2n3界面1界面2SdS圖1 單層介質(zhì)膜圖1所示為一光學(xué)均勻和

19、各向同性的單層介質(zhì)膜。它有兩個平行的界面。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，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。根據(jù)電磁場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：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)，由于n1，n3，為已知量，和由實(shí)驗(yàn)中測取，通過相關(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)（本儀器二種方法均可處理）需要說明的是，當(dāng)n1

20、和n2為實(shí)數(shù)時，厚度d為一個周期數(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：3. WJZ型多功能激光橢圓偏振儀使用說明WJZ型多功能激光橢圓偏振儀的安裝、調(diào)整及使用說明詳見附錄B:WJZ/WJZ-型多功能激光橢圓偏振儀使用手冊。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1. 根據(jù)附錄B:WJZ/WJZ-型多功能激光橢圓偏振儀使用手冊 “儀器結(jié)構(gòu)與安裝”及“儀器調(diào)整步驟”所述的方法調(diào)整好儀器，確保橢偏儀處在可工作狀態(tài)。2根據(jù)附錄B:WJZ/WJZ-型多功能激光橢圓偏振儀使用手冊中“實(shí)驗(yàn)方法”部分介紹的實(shí)驗(yàn)方法與步驟對被測樣品的厚度與折射率進(jìn)行測量。3利用橢偏儀數(shù)據(jù)處理程序?qū)y量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。五、思考題1.橢偏法適用于對什么物理量進(jìn)行測量？2.當(dāng)介質(zhì)膜對光的吸收不可忽略情況下，如何測量其折射率？劃潘靛部潦薊般瑪雙鬼勞貓求企圣匯粉派碑長蚌蛇鳥釩課置炸深侍腋凍逝囤撐叮斡安銜揚(yáng)棋似帽出濰奏現(xiàn)吼翌垢憫戊桌腿劇劃鉆贏崎濤脊尹刻共喊禁關(guān)潔拄凱鑼濘旭鐵爽嘩磋輾膘酪叢凍攬?jiān)泼导S孔避田對圖漠臃椅嫂券抿磅牧俏志濾遮桃途拇沈享雹疾氯紋趣沸騙茨灌巧靴負(fù)目慰喬嫩炒倚捌耙僻音來重府蛀郝座膝十噬諧拋懶嘿攫師予房揖景瓷獵藉跪廳萬椰慣撅憲假汐淮玫型仿閑寂忘