《半導體物理》實驗指導書(2022年版)

1、半 導 體 物 理實實驗指導書信息工程學院電子科學與技術教研室2022目錄169A:RTS-8型雙電測四探針測試儀用戶手冊11B:WJZ/WJZ-型多功能激光橢圓偏振儀使用手冊 30I 10試驗一 霍爾效應一、試驗目的了解霍爾器材對材料要求的學問；學習用“對稱測量法”消退副效應的影響，測量試樣的V I曲線；HS學會確定試樣的導電類型，載流子濃度以及電導率。二、儀器設備QS-H 型霍爾效應試驗組合儀三、試驗原理導體材料霍爾系數(shù)確實定R由霍爾電壓VH與磁感應強度B 的關系，VHH IdB 知，只要測出VH以及知道I、SB 和d，可計算出霍爾系數(shù)HR VdHHIBS1導體材料導電類型確實定假設試驗中

2、能測出I、B 的方向，就可推斷V的正負，打算霍爾系數(shù)的正負，從而推斷SH出半導體的導電類型。當RH 0時，樣品屬N 型載流子為電子，反之則為P 型子為空穴。導體材料載流子濃度確實定1Vd由霍爾系數(shù)R H，可得HneIBSIBn S2HVdeHVI假設知道、B，就可確定該材料的載流子濃度。依據(jù)電導率HS與載流子濃度n遷移率 之間的關系 ne 知，通過試驗測出值即可求出 RH 3霍爾組件對材料的要求依據(jù)上述可知，要得到大的霍爾電壓，關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。試驗中的副效應及其消退方法在將影響測量結(jié)果的準確性，試驗時應當設法消退。本試驗主要影響來自不等勢電壓V ，如圖1 所示，當電流I流過霍爾元件時，沿電流方向電位漸漸降低。設圖中平行線為一系S差，稱為不等勢電位V。明顯，不等勢電位V的正負極性隨電流的方向的不同而轉(zhuǎn)變，與磁場無關。VVHAIS等勢面VHA，1 不等勢電位V 產(chǎn)生氣理圖示除V 外還存在由于熱電效應和熱磁效應所引起的各種副效應，這些副效應均可通過改變I和 B 的方向的方法加以消退。即在規(guī)定了電流和磁場正、負方向后，分別測量由以下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提高一個數(shù)量級。試驗裝置簡介QSH 型霍爾效應試驗組合儀由試驗裝置和測試儀兩大局部組成。A、螺線管試驗裝置2 所示電磁鐵磁鐵線包的引線有星標者為頭，線包繞向為順時針，依據(jù)線包繞向及勵磁電流IM 的關系標明在線包上。樣品和樣品架樣品材料為 N 型半導體硅單芯片，樣品的幾何尺寸為：厚度d 0.5mm，寬度b 4.0mm，A、C L 3.0mm。樣品共有三對電極，其中A、A” 或C、C” 用于測量霍爾電壓V；A、C 或A” 、C” 用H于測量傳導電壓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換向開關及VH、V 切換開關。IIS換向開關投向上方，則I及ISMVH、V ”切換開關投向上方測VH，投向下方測V 。X方向調(diào)整螺絲探桿勵磁線圈 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 試驗儀裝置示意圖B、測試儀3 所示“IS輸出”為010mAIM 輸出”為1A勵磁電流源，兩路輸出電流大小通過IS IM 同一只數(shù)字電流表進展測量，按鍵測IM IS 。直流數(shù)字電壓表I和VM通過功能切換開關由同一只數(shù)字電壓表進展測量器進展調(diào)整。當顯示器的數(shù)字前消滅“一”號時，表示被測電壓極性為負值。QS-HQS-H 型霍爾效應試驗組合儀200mVON20mVmVmAAOF

6、F調(diào)零I 調(diào)整SI 輸出SI調(diào)整MI輸出M3 測試儀面板示意圖四、試驗內(nèi)容及步驟測繪VI曲線HSISIM輸出”和“VH、V 輸入”三對接線柱分別與試驗儀上的三對相應的接線柱正確相連。切不能將I電流接到樣品電流上，否則可能燒壞M樣品。將試驗儀“VH、V ”切換開關合向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，并相應地轉(zhuǎn)換I輸入、I輸入開關方向。測SSSM出V為V ，V ，V ，V 見表。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，計算電導率將“VH、V ”切換開關投向VV 。在零磁場下IM0，使IS 2.00mA，測量V 。I l依據(jù) S，計算 值。V bd確定樣品的導電類型將試驗儀三組雙刀開關均投向上方取I 2.00mA，I 0.6A，觀測V大小及極SMH性，推斷樣品導電類型。求樣品的R，n 值H確定V-I曲線斜率K。HS由公式B KI，計算B 值，其中I0.6A，K值在磁鐵線包上標明。BMMB計算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庫侖。n 1ReH留意：關機前，應將“I調(diào)整”旋鈕逆時針方向旋到底，使其輸出電流趨于

8、零。然后S才可切斷電源。五、試驗前作業(yè)為什么半導體中霍爾效應特別顯著？如霍爾片的工作電流I及磁感應強度B 的方向，如何推斷樣品的導電類型？S六、試驗后作業(yè)本試驗線路中為什么設置三個換向開關？它們各自的作用是什么？怎樣利用霍爾效應測定磁場？試驗二 四探針法測量半導體電阻率及薄層電阻綜合性試驗一、試驗目的了解樣品的處理方法，把握四探針法測量半導體材料方阻和電阻率的根本原理和方法；能夠嫻熟運用四探針法測量半導體薄層方塊電阻與薄片電阻率，了解半導體阻值與光照的關系；把握利用 EXCEL 對存儲在數(shù)據(jù)文件中的測量數(shù)據(jù)進展處理，計算電阻率、方塊電阻率及標準差。二、儀器設備計算機，RTS-8 型雙電測四探針

9、測試儀三、試驗原理測量的根本原理雙電測組合四探針法承受了以下二種組合的測量模式見圖。VV1234V1234IV組合IV組合14231324 將直線四探針垂直壓在被測樣品外表上分別進展I和I組合測量，測量過程如下：進展I組合測量：142313241423電流從針針，從、針測得電壓V+；23電流換向，從針針，從、針測得電壓V-；23計算正反向測量平均值：V(V+ V- )2；232323進展IV組合測量：1324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 V-；24計算正反向測量平均值：V(V+ V- )2；242424計算VV值以VV均以 mV 為單位；2324232

10、4按以下兩公式計算幾何修正因子：假設1.18VV1.38 時；2324K14.69625.173(VV)7.872(VV)2(1)23242324假設1.10VV1.18 時；2324K15.8526.15(VV)7.872(VV)2(2)23242324計算方塊電阻 R ：(V)(單位： )(3)23其中：為測試電流，單位：mA；V為從、針測得電壓V+和V-的平均值，232323單位：mV；假設樣品厚度W，可按下式計算樣品體電阻率 ： 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 分別為測量的電阻率最大值與最小值，單位： c 1、2 點即圓片中心測量點測量平均值，單位： a 1、2 點外其余各點的測量平均值，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承受四探針雙位組合測量技術，將范德堡測 量方法推廣應用到直線四探針上。利用電流探針和電壓探針的組合變換，進展兩次電測量， 其最終計算結(jié)果能自動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。這種動態(tài)地對以上不利因素的自動修正， 液晶玻璃鍍膜層、電熱膜等導電膜的方塊電阻(或稱簿層電阻和面電阻)。RTS-9 雙電測四探針軟件測試系統(tǒng)對四探針測試儀主機發(fā)出把握指令來獲得用戶需要的測量數(shù)據(jù)， 主機在接收到指令后依據(jù)測量程序進展測量(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)回主機等)，并把采集到的數(shù)據(jù)反響回計算機中加以 運算、分析，然后把測試數(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)進展各種數(shù)據(jù)分析。儀器的技術指標、及使用方法詳見

13、附錄A:RTS-9 型雙電測四探針測試儀用戶手冊四、試驗內(nèi)容及步驟 測試方法，生疏試驗儀器使用，試驗軟件安裝調(diào)試的根底上，依據(jù)附錄 A:RTS-9 型雙電測四探針測試儀用戶手冊中“測量樣品根本操作流程”的相關內(nèi)容自行設計試驗步驟，實現(xiàn)對半導體薄層方塊電阻與薄片電阻率的測量。五、思考題光照與溫度變化對半導體的電阻或電阻率的影響狀況；半導體外表粗糙程度對其電阻率的影響狀況。試驗三 橢偏法測薄膜厚度和折射率一、試驗目的學習并把握橢偏法根本測量原理；能夠運用橢偏法測量透亮介質(zhì)薄膜硅襯底上透亮膜厚度與折射率。二、儀器設備WJZ型多功能激光橢圓偏振儀三、試驗原理介質(zhì)膜的測量1/4膜面上。反射時，光的偏振狀

14、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量圖 1 所示為一光學均勻和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。其干預結(jié)果反映了膜的光學特性。1PPK0PPK0K1K2K3SS1n1d2n23n31 單層介質(zhì)膜依據(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，可以推導出橢偏方程：tan ei R/RPSrrei ei 1p2p1s 2s1rreirei1p 2 p1s2s其中 和 稱為橢偏參數(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 由試驗中測取，通過相關計算可得出薄膜折射131n 和厚度d。一般承受查表法或計算機處理數(shù)據(jù)本儀器二種方法均可處理2需要說明的是，當nn 為實數(shù)時，厚度dd 為：1202n2n2 n2 sin2 2110本試驗只能計算d ，假設實際膜厚大于d ，可用其他方法如干預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-