材料与器件性能表征实验教材

1、第二部分 材料与器件性能表征 (36学时)实验要求通过完成以下九个实验，掌握半导体材料和器件性能的表征方法及基本的实验技能，培养分析问题和解决问题的能力。目 录实验一. 双极型晶体管特性的测量与分析 实验二. 场效应晶体管特性的测量与分析 实验三. 硅光电器件管芯特性的测量与分析 实验四. 硅材料电阻率及扩散薄层电阻的测量 实验五. 硅光电池光照特性的测量与分析 实验六. 功率晶体管热参数的测量 实验七. 硅光电器件光谱响应特性的测量 实验八. 单晶体的激光定向及材料缺陷的显示与观察 实验九. 用椭偏仪测量透明介质薄膜的厚度和折射率 实 验 卡 片 实验一 双极型晶体管特性的测量与分析实验要求

2、1弄清双极型晶体管主要参数的物理意义和使用Keithley4200半导体参数分析仪的基本方法。2测试样品为3AX31和3DG6，弄清这两类器件的类型和引脚，任选一只按共发射极接法进行测量。3测量该晶体管的输入特性曲线，并根据曲线求晶体管输入阻抗 (VCE = 10V时)；4测量该晶体管的输出特性曲线，在VCE为10V、第六级曲线处求电流放大倍数(交流)、HFE(直流)。用转移特性曲线再次测量这两个参数，将两次结果进行对比。 5测量晶体管的极限参数BVebo、BVceo、BVcbo。6. 将测试结果和测试条件列表表示并与标准参数进行比较,看看所测的器件是否合格。习题1分析小注入和大注入时晶体管变

3、小的物理原因。2为什么硅管的漏电流较锗管小?3如何用B2902A双通道源测量单元区分硅npn和pnp管？4分析晶体管出现软击穿和管道型击穿的原因以及饱和压降VCES过大的原因5分析用图示仪测试晶体管的优缺点。实验一 双极型晶体管特性的测量与分析一 前言双极晶体管是最重要的分立器件，是双极集成电路的基础，其特性的测量与分析是基本的实验技能。通常用半导体管特性图示仪来完成这一工作。B2902A双通道源测量单元是能直接测量半导体各种特性曲线和直接读出被测管各项参数的测试仪器。它还能显示和测量多种半导体和集成电路的特性和参数，可以直接显示数据，输出特性曲线等优点。要测定共射晶体管的输出特性，其基本测试

4、原理电路如图1-1所示，测试时通过Keithley4200半导体参数分析仪直接测量出共射晶体管输出特性曲线图1-1 共射晶体管接法 图1-2 共射晶体管输出特性曲线B2902A双通道源测量单元既能较全面地检测半导体管的各种参数，又能显示半导体管的特征曲线。本实验要求：（1）了解B2902A双通道源测量单元的基本原理方框图及源测量单元的作用。（2）了解被测管各项参数的定义及读测方法。（3）掌握晶体管特性常见缺陷及其产生原因。二 实验原理1B2902A双通道源测量单元的测试基本原理源测量单元是电压源，电流源，电压表，电流表合成一起的仪器，简单原理如下图：测量晶体管特性曲线原理图如下：通过基极加电流

5、驱动，集电极加电压扫描测量电流的方法既可描绘出晶体管的输出特性曲线2B2902A quick IV软件设置1）定义源测量单元，针对npn型晶体管，直接在QUICK IV软件内进行设置如图所示SMU2，SMU1,GND单元分别接到晶体管的b,c,e 三极，设置SM2位电流源模式，SMU1为扫描电压模式SM2设置step 模式，电流步进，从1uA扫描到10uA，步进为1uASMU1设置为电压扫描模式,电压从0扫描到2V,步进为0.05VSMU3设置为0V电压，作为共地点2测量结果分析点击运行按钮，系统会自动运行，并测出输出数据和特性曲线。输出特性曲线2放大倍数测量1) 定义源测量单元，针对npn型

6、晶体管，直接在QUICK IV软件内找到gummel测试项目进行设置，如下图2) 按照软件界对SMU进行设置，运行分析结果3）结果曲线Ic,Ib,通过公式计算器，计算B=Ic/Ib ,得出B的数值，见数据表。3反向击穿电压BVCBO、BVCEO和BVEBO外延片制作的双极晶体管的反向击穿电压VB（一般指BVCEO或BVCBO）既与外延层电阻率c有关，也与结的曲率半径和表面状况等因素有关。当高阻集电区厚度Wc小于BVCBO所对应的势垒宽度xmB时，VB还与WC有关。所以提高晶体管反向耐压可采取提高c、WC，减小二氧化硅中表面电荷密度，采用圆角基区图形，深结扩散、甚至采用台面结构、扩展电极或加电场

7、限制环等措施。BVCBO是共基晶体管在发射极开路时输出端CB间的反向击穿电压。BVCEO是共射晶体管在基极开路时输出端CE间的反向击穿电压。晶体管手册中（或实际测试中）的规定为：BVCBO发射极开路，集电极电流为规定值时，CB间的反向电压值。BVCEO基极开路， 集电极电流为规定值时，CE间的反向电压值。BVEBO集电极开路，发射极电流为规定值时，EB间的反向电压值。理论上可推导出对硅npn管，n = 4。硅双扩散管的基区平均杂质浓度，所以，一般BVCBOBVCEOBVEBO，而锗合金管，所以，一般BVCBOBVEBOBVCEO。图1-10 测击穿电压时晶体管的接法图1-11 晶体管击穿电压测

8、量值的示意图（5）反向电流ICBO、ICEO和IEBO晶体管的反向电流ICBO、ICEO和IEBO也叫反向截止电流或反向漏电流。其中ICEO又叫反向穿透电流。反向电流对晶体管的放大作用没有贡献，白白消耗一部分电源功率，影响晶体管工作的稳定性。因此，反向电流愈小愈好。晶体管的反向电流通常包括反向扩散电流ID、势垒区产生电流IG和表面漏电流IS。在室温下，硅管的IGID，锗管则IDIG。一般硅管的反向电流远小于锗管的反向电流。由于XJ4810图示仪的测试精度所限，绝大部分中小功率硅管的反向电流不能用XJ4810图示仪读测，而只能用专用仪器（如JS2B晶体三极管反向截止电流测试仪）测量。电流ICBO

9、，ICEO、IEBO的定义如下：ICBO发射极开路，CB间反压为规定值时的反向电流；ICEO基极开路， CE间反压为规定值时的反向电流；IEBO集电极开路， EB间反压为规定值时的反向电流。3晶体管特性常见现象及其原因这里只列出其主要原因，详细解释可参阅相关资料。（1）线性不好 线性不好有以下几方面： 小注入时过小，图1-13。此时的特点是小注入时特性曲线密集。它的产生原因是基区表面复合严重、发射结势垒复合较强、发射结表面漏电大。 大注入时过小，图1-14。此时的特点是大注入时特性曲线密集。它的产生原因是基区电导调制效应和有效基区扩展效应。（2）特性曲线分散倾斜图1-15 此时的特点是零线较平

10、坦，其它曲线分散倾斜。产生原因是基区掺杂浓度过低，宽度过窄，导致基区宽（调）变效应严重。（3）反向漏电流大 反向漏电流大有两方面： 沟道漏电如图1-16。沟通漏电的特点是起始电流大，零注入曲线升高。它产生的原因是二氧化硅中正电荷密度过大，导致晶体管P区表面反型，出现n型沟道。 反向漏电大图1-17。反向漏电大的特点是特性曲线全部倾斜。产生的原因是表面吸附有大量杂质离子、原材料缺陷多、势垒区附近有大量杂质沉积和大量重金属杂质沾污。（4）击穿特性差 击穿特性差有如下表现。 管道型击穿图1-18。管道型击穿的特点是击穿曲线像折线或近似折线。它产生的原因是形成的基区光刻小岛，有pn结尖峰、材料中有位错

11、集中点或表面有破坏点等形成的基区局部穿通，硼扩前表面有n型杂质和灰尘沾污形成的基区反型杂质管道等。 硬低击穿图1-19。硬低击穿的特点是击空特性硬，击穿电压低。产生的原因与管道型击穿类似。如集电结有缺陷集中点或局部损伤以至断裂；基区大面积穿通或存在大的反型杂质管道。 软击穿图1-20。软击穿的特点是反向漏电大，没有明显的击穿点。产生原因与反向漏电大相同。（5）饱和压降大图1-21（a）、（b）饱和压降大分两图说明。图1-21（a）特点：曲线上升部分不陡或浅饱和区宽。原因：c、Wc过大，导致rcs过大或在低压下集电结势垒区载流子达不到极限散射速度；基区掺杂浓度很低时也会导致VCES增大。图1-2

12、1（b）特点：低电压下曲线上升很缓慢，其它部分较正常，俗称“有小尾巴”。原因：烧结条件掌握不好，管芯与管座接触电阻rcbn过大。图1-13 小注入时特性曲线密集 图1-14 大注入时过小 图1-15 基区宽（调）变效应图1-16 沟道漏电 图1-17 反向漏电大图1-18 管道型击穿 1.19 硬低击穿图 图1.20 软击穿图1.21（a） 饱和压降大 图1.21（b） 饱和压降大三 实验步骤与要求1实验器材（1）Keithley4200半导体参数分析仪一台及使用说明书一份。（2）半导体器件 3DG6C和3AX31B各若干。其中3AX31B的参数规定见表11，3DG6的参数规定见表12。表11

13、 3AX31B的参数规定参数PCM（mW）ICM(mA)Tjm()BVCBO（V）BVCEO（V）BVEBO（V）ICBO(A)ICEO(A)IEBO(A)hFE12512575301810126001240130测试条件IC=ImAIc=2mAIE=1mAVCB=6VVCE=6VVEB=6VVCE=1VIC=100mA表12 3DG6C的参数规定参数PCM（mW）ICM(mA)BVCBO(V)BVCEO(V)BVEBO(V)VCES(V)VBES(V)hFE10020452040.35120测试条件IC=100AIC=100AIE=100AIC=10mAIB=1mAIC=10mAIB=1mA

14、VCE=10VIC=3mA60实 验 卡 片实验二 场效应晶体管特性的测量与分析实验要求1弄清场效应晶体管主要参数的物理意义及Keithley4200半导体参数分析仪的使用方法。2所给样管为N沟结型场效应晶体管3DJ6，测量其输出特性曲线，根据有关曲线计算样管的跨导值、IDSS及BVGS。3测量器件的转移特性曲线，并再次计算样管的跨导值、IDSS，并和上述结果进行比较。4将测试结果和测试条件列表表示，并与标准参数进行比较。 习题1比较双极型器件和场效应器件输出特性的异同。2结型场效应管和MOSFET工作原理有何不同?3如何判断MOSFET是增强型还是耗尽型?4根据所测出的器件输出特性曲线，作出

15、当VDS=10V时，VGSIDS关系曲线，并求出其斜率，定出VP ，与仪器所测的转移特性曲线进行比较。实验二 场效应晶体管特性的测量与分析一 前言场效应晶体管不同于一般的双极晶体管。场效应晶体管是一种电压控制器件。从工作原理看，场效应晶体管与电子管很相似，是通过改变垂直于导电沟道的电场强度去控制沟道的导电能力，因而称为“场效应”晶体管。场效应晶体管的工作电流是半导体中的多数载流子的漂移流，参与导电的只有一种载流子，故又称“单极型”晶体管。通常用“FET”表示。场效应晶体管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（MISFET）两大类。目前多数绝缘栅型场效应应为金属-氧化物-半导体（MOS

16、）三层结构，缩写为MOSFET。本实验对结型、MOS型场效应管的直流参数进行检测。场效应管按导电沟道和工作类型可分为：本实验目的是通过利用Keithley4200半导体参数分析仪检测场效应管的直流参数，了解场效应管的工作原理及其与双极晶体管的区别。二 实验原理1. 实验仪器仪器Keithley4200半导体参数分析仪2. 参数定义（1）输出特性与转移特性 输出特性曲线（IDSVDS）即漏极特性曲线，它与双极管的输出特性曲线相似，如图2-1所示。在曲线中，工作区可分为三部分：I 是可调电阻区（或称非饱和区）； 是饱和区； 是击穿区。 转移特性曲线为IDSVDS之间的关系。转移特性反映场效应管栅极

17、的控制能力。由于结型场效应晶体管都属于耗尽型，且栅源之间相当于一个二极管，所以当栅压正偏（VGS0）并大于 0.5V时，转移特性曲线开始弯曲，如图2-2中正向区域虚线所示。这是由于栅极正偏引起栅电流使输入电阻下降。这时如果外电路无保护措施，易将被测管烧毁，而MOS场效应管因其栅极有SiO2绝缘层，所以即使栅极正偏也不引起栅电流，曲线仍向上升，见图2-2所示。图2-1n沟耗尽型MOSFET输出特性曲线 图2-2n沟耗尽型MOSFET转移特性曲线（2）最大饱和电流（IDSS ） 当栅源电压VGS=0、漏源电压VDS足够大时所对应的漏源饱和电流为最大饱和电流。它反映场效应管零栅压时原始沟道的导电能力

18、。显然这一参数只对耗尽型管才有意义。对于增强型管，由于VGS = 0时尚未开启，当然就不会有饱和电流了。（3）跨导(gm) 跨导是漏源电压一定时，栅压微分增量与由此而产生的漏电流微分增量之比，即跨导表征栅电压对漏电流的控制能力，是衡量场效应管放大作用的重要参数，类似于双极管的电流放大系数，测量方法也很相似。跨导常以栅压变化1V时漏电流变化多少微安或毫安表示。它的单位是西门子，用S表示，1S=1A/V。或用欧姆的倒数“姆欧”表示，记作“-1 ”。（4）夹断电压VP和开启电压VT 夹断电压VP是对耗尽型管而言，它表示在一定漏源电压VDS下，漏极电流减小到接近于零（或等于某一规定数值，如50A）时的

19、栅源电压。开启电压VT是对增强型管而言。它表示在一定漏源电压VDS下，开始有漏电流时对应的栅源电压值。MOS管的夹断电压和开启电压又统称阈值电压。（5）击穿电压（BVDS）当栅源电压VGS为一定值时，使漏电流IDS开始急剧增加的漏源电压值，用BVDS表示。注意，当VGS不同时，BVDS亦不同，通常把VGS=0时对应的漏源击穿电压记为BVDS。（6）栅源击穿电压（BVGS）栅源击穿电压是栅源之间所能承受的最高电压。结型场效应管的栅源击穿电压，实际上是单个pn结的击穿电压，因而测试方法与双极管BVEBO的测试方法相同。对MOS管，由于栅极下面的缘绝层是Si02，击穿是破坏性的，因而不能用XJ481

20、0图示仪测量MOS管的BVGS。三 实验步骤与要求利用KEITHLEY4200半导体参数分析仪测量n沟耗尽型MOSFET（如3D01）、n沟JFET（如3DJ6）的各项主要参数。1. n沟耗尽型MOS管的测量（3D01）Keithley4200 软件设置（参照Keithley4200使用说明书）定义源测量单元，针对npn型晶体管，直接在QUICK IV软件内找到4端MOFFET内的Vds-id测试项目进行设置，如下图如图所示SMU1，SMU2,SMU3,GND单元分别接到MOS管的G,D,S ,B四端，分别设置SMU1,SMU2,SMU3位电压step模式，电压扫描模式，和0电位电压。GND单

21、元连接衬底。SMU3设置如下图:SMU2设置如下图：SMU1设置如下图：GND单元设置如下图：2测量结果分析点击运行按钮，系统会自动运行，并测出输出数据和特性曲线。实 验 卡 片实验三 硅光敏器件管芯特性的测量与分析实验要求1在显微镜下观察不同结构的光敏器件芯片，分辨各个有效作用区、弄清器件的版图及电极位置。2将管芯电极联接到XJ4810半导体管图示仪对应的电极上，对给予的芯片测试其光电流和击穿电压。3估算光敏三极管的电流增益。4每种样片至少测10个管芯。习题1光敏二极管、三极管的光电流大小与光照强度和受光面积有何关系?是正比关系吗？对观测到的现象进行分析。2光敏三极管为何可以只要两个电极引线

22、?能否有三个引线？两者各有何特点？3对典型不良的光电特性绘图并进行分析。实 验 卡 片实验四 硅材料电阻率及扩散薄层电阻的测量实验要求1弄清四探针法测量的基本原理及测量方法。2用四探针法测量并计算给定的半导体材料的电阻率，做出硅锭的电阻率分布（至少5个点）。3用四探针法测量并计算给定的半导体材料的方块电阻。4用热探针判断半导体材料的导电类型。习题1为什么四探针测半导体电阻率时样品要磨成粗糙的表面?2测量电阻率时为什么测试电流不能过大?3测试温度对测试结果有什么影响?4外部光照对测试结果有什么影响?为什么？5简单阐述热探针判别半导体材料导电类型的原理。实验四 硅材料电阻率及扩散薄层电阻的测量一

23、前言半导体单晶的许多性质与其中所含有的杂质的种类和数量有密切的关系。对同一种单晶材料而言，不同的杂质起着不同的作用。例如，硅单晶中的硼、铝、镓起受主作用，使它具有空穴（即P型）导电性，而磷、砷等起施主作用，使它具有电子（则N型）导电性。而且，杂质含量的多少决定单晶电导率的数值，也影响单晶的其它性质。有的杂质在同一种材料中可起不同的作用。例如，金在硅中既可起施主作用，也可起受主作用。还有的杂质起中性作用，例如，硅单晶中的氧就是这样。为了确定纯净的半导体材料中的杂质含量，通常使用化学分析方法、光谱分析法、质谱分析法、放射化学法等。它们分别适合于测定1%1PPm、0.1100PPm、0.1PPm、1

24、0-910-11g的杂质含量。此外，还有极谱法、X射线分析法、红外分析法等。实际使用的单晶材料大多是按需要选择性的掺入了一定种类、一定数量的杂质。这些能够改变材料导电性的杂质，需要确定掺杂的浓度，杂质的浓度用电阻率（·cm）表征。电阻率值是材料的重要参数之一。一般通过霍耳系数或电阻率的测定来计算其中实际掺入的杂质的数量。二 实验原理单晶体的电阻率与材料中参与导电的杂质的浓度有关。对于本征半导体材料： （1）其中为电阻率值，为电导率值，为载流子迁移率值，p和n为空穴及电子浓度，q为电子电量。测量电阻率的方法有许多种。例如，两探针法，三探针法，四探针法及霍耳系数法、C-V法，高频方法等等

25、。前面几种属于直接接触测量法，而最后一种为非接触测量法。四探针法是使用最广泛的测量半导体材料电阻率的一种方法。其优点是测试设备简单、操作方便、精确度较高、而且对样品无过严的要求，只要有一个较平坦的表面就可进行测量。它也适于对各种不同大小和厚度的样品进行测量，只须对不同的几何尺寸样品引入不同的修正因子，即可得到所需的结果。四探针法的原理可简述于下：1 无限大样品 设有一半导体单晶样品，其大小和厚度相对于测量探针之间的间距可视为半无穷大。四根探针1、2、3、4与样品成点接触，相互可排成一条直线或成四方形或任意形状，电流从1流入，从4流出。其相互位置可记为r12、r13、r42、r43。 因为样品是

26、半无穷大的，探针为点接触，形成以点1为球心的等位面，如图4-1所示。因此根据拉普拉斯方程：、对利用E，可得到距点电流源r处的电位为： （2）上式中，E为r处的场强，I = Aj为电流强度，为电流密度。由式（2）可得到不同点之间的电位降落：V12、V13、V42、V43，并计算出点2点3之间的电位差为： （3）式（3）为四探针测电阻率的通用公式。实用上为方便起见，常将四探针等距离地排列在一条直线上，并令r12 =、r23 =、r34 = S、，S为探针间距，因此 （4）通常，当样品厚度及样品边沿到探针的最近距离大于4S时，（4）式即可使用。实验中S=1mm。2. 有限大样品当样品的几何尺寸较小时

27、，则要对（4）式进行修正。Valdes和Uhlir、Smits计算了样品为薄片及探针离样品边界距离小于4S时，点电流源形成的电位分布，并得到的表达式为： （5）其中C为修正因子值。附表11、12、13、14、15列出了某些情况下C值的数值计算结果，可供测量时选用。3有限大小的园形薄片样品对于有限大小的园形薄片，应进行直径修正和厚度修正。Smits得出，当样品厚度时，（6） C值由表13查出。d为园形薄片的直径。4. 有限大的长方形薄片样品 对有限大的长方形薄片，也有类似的表达式，但C值不同。亦可从表13中查出。在实验中测量I、V23、S并从表中查出相应的C值后，即可求出值，然后可计算出或从-N

28、曲线查出杂质浓度N来。必须指出，测试时电流I的选择要适当。因为，若I太小，V23值过小，测量有困难，若I过大，则因非平衡载流子的注入及样品发热引起电阻率降低。表16中列出不同的电阻率样品所采用的电流的范围。另外，对于高阻样品，在测试时要避免光照。因为光电导效应和光电压效应可严重影响电阻率的测试结果。三 实验步骤与要求1测试原理图测试原理示于图4-2，恒流电源提供恒定的样品电流I，其数值由电流表显示，V23用电位差计测出。根据测量的I、V23及S即可求出电阻率来。图4-1 点电流源的半球形等位面 图4-2 四探针测试原理图2实验内容与要求（1）测出所给硅单晶棒的纵向电阻率分布，判别导电类型，作出

29、N（x） x曲线（至少5个点，实验测量数据以表格形式列出）。（2）测定并计算所给不同大小和厚度的样品的电阻率（利用附表查出相应的修正因子值）。（3）观测光照对测量结果的影响。3注意事项（1）为了保证探针与样品有良好的接触，减少少数载流子注入对测试结果的影响，在测试之前，必须用金刚砂将样品的测试表面磨毛，并使测试表面清洁、干燥；（2）探针要尖、间距要尽可能相等，以保证测量的精确度；（3）为减少测量误差，对每个测试点，应取正反向电流测量两次，然后求平均值。表11 S/WCL/s00.10.20.51.02.05.010.00.00.10.20.51.02.05.010.02.0002.0022.0

30、162.1883.0095.56013.86327.7261.96611.971.982.152.975.4913.7227.431.87641.881.892.062.875.3413.3226.711.51981.521.531.702.454.6111.5123.031.1891.191.201.351.983.729.2818.561.03791.0401.0521.1761.6673.1047.74415.491.00291.0041.0141.1091.5342.8387.07814.1561.00041.00171.00941.09771.5122.7956.96913.938表

31、12 S/WCL/s00.10.20.51.02.05.010.00.00.10.20.51.02.05.010.01.45001.40511.45191.52852.003353.72369.281518.56301.33301.33311.33521.41631.92553.56608.894317.78861.25551.25561.25791.34761.85263.44868.894317.78861.13321.13351.13641.23071.72943.22628.047216.09441.05951.05971.06371.16481.63803.04707.599115.

32、19831.01941.01981.02551.12631.56902.90907.254214.50831.00281.00361.01071.0291.52252.81607.021614.04311.00051.00151.00841.09671.51022.79136.96003.91991.00001.00091.00701.09391.50492.77996.931513.8629表13 d/s园形正方形长方形长方形长方形a/d=1a/d=2a/d=3a/d41.01.251.51.752.02.53.04.05.07.010.015.020.040.02.26622.92893.

33、36253.92734.17164.36464.43644.50762.45753.11373.50984.00954.22094.38824.45164.51201.47881.71961.94542.35322.70003.22463.57494.03614.23574.39474.45534.51290.99881.24671.48931.72331.94752.35412.70053.22483.57504.03624.23574.39474.45534.51290.99941.22481.48931.72381.94752.35412.70053.22483.57504.03624.

34、23574.39474.45534.51294.53244.53244.53244.53244.5324表14CC0.10.20.30.40.50.60.70.81.00091.00701.02271.05111.09391.15121.22251.30620.91.01.21.41.61.82.02.51.40081.50451.73291.98092.24102.50832.77993.4677表1511.251.51.752.02.53.03.50.8120.77840.98590.98260.97270.94130.90000.80610.99880.99730.99290.98500

35、.97370.94160.90020.80620.99940.99790.99290.98500.97390.94160.90020.8062表16电阻率范围选用电流10-40.04cm0.041140401000103104100ma10ma1ma 102ma 102ma四探针法测扩散薄层的方块电阻一 前言在结型半导体器件的生产中，大多使用扩散法来制备pn结。扩散层中杂质分布的状况及pn结的深度对器件的特性有明显的影响。用四探针法测量扩散层的方块电阻，可以求得扩散层单位面积的杂质总量，如果结合结深的测量，还可以估算出表面杂质浓度，因此，在晶体管及集成电路的生产中，几乎每次扩散以后都要测量方块

36、电阻，以检验该次扩散是否达到预期的要求。二 测量原理1方块电阻的定义如图4-3所示方形薄片，长、宽、厚分别用L、W、d表示，当电流如图示方向流过时，若L=W，这个薄层的电阻称为方块电阻，一般用R表示，单位为/图4.-3 方块电阻的定义（1）杂质均匀分布的样品若该半导体薄层中杂质均匀分布，则薄层电阻Rs为： 当L=W，即薄片为正方形时，Rs =R，R=/d为方块电阻，L/W为方块数，简称方数，它与正方形边长大小无关。（2）杂质非均匀分布的样品实际扩散层中杂质分布不均匀，杂质分布与扩散方式有关，主要有以下两种扩散方式： 恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，与半导体表面接触的杂质浓度不变，对应预淀积情

37、况。杂质服从余误差分布，余误差函数的值可查函数表得到。 限定表面源扩散：整个扩散过程中，杂质源仅限于预扩散淀积在半导体表面上的无限薄层内的杂质总量Q，没有其它外来的杂质进行补充，对应于主扩散情况。其杂质服从高斯分布，实际的工艺过程比这两种理想分布要复杂一些。这两种杂质分布示于图4-4。图4-4(a) 恒定表面源扩散的杂质分布 图4-4(b) 限定表面源扩散的杂质分布对于杂质分布不均匀的样品，电导率为x的函数，即 为扩散层中单位面积的杂质总量。用实验方法测得随x的变化，则可得出N(x)随x的变化。如能测出结深xj，则可求出表面浓度Ns。2方块电阻的测量原理用四探针可以测量扩散薄层的方块电阻值，如

38、图4-5所示。（1）先考虑无穷大的薄层的情况图4-5 方块电阻的测量原理 图4-6 方块电阻测量中的等位面由于扩散层非常薄，以及PN结的阻挡作用，探针1、4之间的电流仅在扩散层中通过，与四探针测电阻率的情况相比，可认为电流从针尖1流出之后，沿着样品表面散开，电流线是以流入针尖1处为中心的并与表面平行的射线，等位面是以流入针尖1处为中心的不同半径的园柱面，如图4-6所示。因此在离中心r处电流密度应为若薄层平均电阻率为，平均电导率为，因为，故离针尖1的距离为r处的电场强度E(r)为 测出探针2、3之间的电位差V：这就是四探针法测无穷大薄层的方块电阻的公式，为测量准确，要求满足下列条件：（1）半导体

39、薄层必须为无穷大平面；（2）四根探针必须在一条直线上，针距相等；（3）电流I要小，以免非平衡载流子的注入和焦耳热对测量的影响；（4）探针要尖，与半导体薄层的接触面要小。（2）对于有限大小的薄片的情况；如果半导体扩散层的几何尺寸不比四探针间距大许多倍时，则上式变为： 修正因子C与薄层的几何尺寸及样品属单面扩散还是双面扩散条件有关，C值可由附表1、附表2、附表3查出。三 实验方法实验的方法同电阻率测量。但要注意：1测量之前，先用HF漂洗样品，以去除表面的SiO2层，然后用清水冲洗干净并烘干后进行测量。2注意 正确选择修正因子C。3为简化，可选I值与C的数值相等，这样读出V值就可以知道R值了。附表1

40、 单面扩散园形样品的修正因子Cd：园片直径H：园心与四探针中心间的距离s：相邻两探针间距 四探针沿直径方向放置3457.5101520402.26622.92893.36253.92734.17164.36464.43644.50674.53243.27193.87804.14154.35044.42824.50594.53242.91763.69034.02634.29574.39674.49774.53243.11233.67534.12844.30004.47304.53243.26353.80384.34514.53243.85684.5324附表2 单面扩散矩形样品的修正因子CL：矩

41、形样品长度a：矩形样品宽度s：相邻两探针间距xj：薄层厚度 xj<0.5s四探针沿长度方向放在样品中心1.001.251.501.752.002.503.004.005.007.5010.0015.0020.0040.002.45753.11373.50984.00954.22094.38824.45164.51204.53241.47881.71961.94542.35322.70003.22463.57494.03614.23574.39474.45534.51294.53240.99881.24671.48931.72381.94752.35412.70053.22483.5750

42、4.03624.23574.39474.45534.51294.53240.99941.22431.48931.72381.94752.35412.70053.22483.57504.03624.23574.39474.45534.51294.5324附表3 双面扩散样品的修正因子Cb：样品厚度xj：薄层厚度s：相邻两探针间距园形样品矩 形 样 品1.001.251.501.752.002.503.004.005.007.5010.0015.0020.0040.004.53244.53244.53244.53244.53244.53244.53244.53244.53244.91244.647

43、74.57904.54154.53534.53294.53264.53254.53242.95753.15963.33813.64083.85434.11184.25044.40084.46704.49854.51324.52754.53241.99762.37412.71132.99533.22953.57783.81274.08994.23624.39464.45364.49644.51244.52734.53241.94972.35502.70102.98873.22483.57513.81094.08884.23564.39434.45354.49644.51244.52734.532

44、4附：半导体材料导电类型的判断要判断一种半导体材料的导电类型，方法有多种。如热探针法、点接触伏安特性法，霍耳电压法等。其中，以热探针法最为简便。热探针法判断导电类型的原理和方法如下：如图，先将探针法AB加热（一般要求热针温度比冷针CD的温度高50左右）。然后，让AB、CD与样品接触。由于A点温度比D点高，因此A点产生的电子空穴对较多。A点的少子因为金属探针与半导休的接触势垒作用，引向金属探针中去，而A点的多子浓度比D点高，因此A点的多子向D点扩散，在A点和D点间形成电位差，若在外电路中接入电流计，则有电流通过。根据电流计中电流方向的不同即可判断材料的导电类型（请同学自己分析）。实 验 卡 片实

45、验五 硅光电池光照特性的测量与分析实验要求1用逐点法测量硅太阳电池的开路电压Voc、短路电流Isc与光照强度之间的关系特性：改变光强从100Lx一1500Lx范围内，每隔100Lx测一点，(通过改变距离来改变光强)测量硅光电池的开路电压，短路电流随光强变化的规律。2测量硅光电池的光照负载特性： 当光电池作为线性探测元件使用时，希望能得到比较好的线性和尽可能大的线性范围，一般低光强和小负载有利于线性的获得。在负载电阻为100，1K，10K，100K的情况下，在100Lx一1500Lx范围内改变光强，测量所对应的光电流和光电压值3分别绘出硅光电池上述三组实验结果的光照特性曲线习题1太阳电池的主要参

46、数有哪几个?2通过确定光照下的光生电流、光生电压随负载电阻的变化，求1000Lx下电池最佳负载电阻值；3如何提高太阳电池的开路电压和短路电流?4为什么要通过改变距离来改变光强，而不是改变光源工作电压？5对实验结果进行简要分析。实验五 硅光电池光照特性的测量与分析一 前言 可再生能源在社会中的重要性已经越来越明显。在各种各样的可再生能源中，太阳能是基本上取之不尽、没有污染的绿色能源。光电池又叫太阳电池，它是将日光直接转换成直流电的器件，由于它具有重量轻、可靠性高、寿命长、能承受各种环境的变化和在空间可以直接利用太阳能转换成电能的优点，因此，近年来，太阳电池一直是宇航设备的一项重要部件。太阳电池对

47、地面化石能源的补充也起着越来越大的作用。同时，硅光电池具有很高的光照灵敏度，宽的光谱响应和良好的线性，故也广泛地应用于光电检测装置。本实验要求测定硅光电池的重要特性之一的光照特性，这是将硅光电池作为检测元件应用时的一项重要参量。通过实验，使同学们对于pn结型光电池的基本工作原理有所了解，掌握测量一般光电转换器件光照特性的实验方法。二 实验原理pn结在半导体器件中，占有极其重要的地位。半导体二极管、三极管、集成电路的最基本结构单元是pn结，普通的光电池能把光能转换成电能，也是靠对光照敏感的pn结的作用。其基本结构如图5-1所示。图5.1半导体pn二极管的基本结构我们知道，在热平衡状态下，pn结存

48、在一个势垒，结果在pn结的边界上存在一个接触电势差VD。当能量大于半导体材料禁带宽度的光子投射在pn结上时，产生非平衡电子空穴对，由于受到势垒区电场的作用，n区的光生空穴扫向p区一边，同样，p区的光生电子被势垒电场扫向n区一边，从而引起光生少数载流子在pn结边界两边的积累，结果使p区一边因空穴积累而带正电，n区一边则因电子积累而带负电。若pn结的外部是断开的，一方面由于电子、空穴向pn结两边运动，而使VD减小，使势垒区的电场衰减，另一方面，光生的电子、空穴也将因复合而损失掉一部分。所以，当光照强度一定时，将会出现一个新的稳定平衡，原来的势垒高度将降低，其降低的数值V，即为光生电动势，p区为正，

49、n区为负。由于积累的电子和空穴是自由载流子，所以，如果在pn结两端加上负载电阻RL，或使之短路，就会有光生电流通过，其方向是由带正电的p区流向带负电的n区。光生电流IL是与光照强度（即入射的光子流密度No）成正比的，光越强，光生电流越大。同时由于光生伏特势是加在pn结上的正向电压，因而引起一个与光电流方向相反的正向电流，外电路流过的电流是两者的代数和，光电池在等效电路上用一个恒流源IL和一个理想二极管表示。1）当，IL=0，得到开路电压表达式：2）当RL=0时，VL=0，得到短路电流表达式：式中，A= q/nKT，I0为光电池无光照时的电流（暗电流）。三 步骤与要求1实验装置测量硅光电池光照特性的实验装置放置在光具座上，光源采用直流稳流电源供电的溴钨灯，入射光束经聚光透镜聚焦后，通过光阑投射到被测样品上。测量时，应注意使入射光束垂直于光电池的光敏表面，并使入射光束的中心通过电池光敏表面的中心。通过在光具座上改变光源和被测电池之间