《半导体物理》实验指导书

1、半导体物理验 指 导 书信息工程学院电子科学与技术教研室2009目录实验一：霍尔效应 1实验二：四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻 6实验三：椭偏法测薄膜厚度和折射率 9附录A:RTS-8型双电测四探针测试仪用户手册11附录B：WJZ/WJZ-II型多功能激光椭圆偏振仪使用手册30实验一 霍尔效应一、实验目的了解霍尔器材对材料要求的知识；学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的V I曲线；HS学会确定试样的导电类型，载流子浓度以及电导率。二、仪器设备QS-H 型霍尔效应实验组合仪三、实验原理导体材料霍尔系数的确定R由霍尔电压V与磁感应强度B的关系，V =-hI B知，只要测出V以及知道

2、I、HH d SHSB和d,可计算出霍尔系数VdR = h（1）H I BS导体材料导电类型的确定若实验中能测出I、B的方向，就可判断V的正负，决定霍尔系数的正负，从而判断SH出半导体的导电类型。当R 0时，样品属N型（载流子为电子），反之则为P型（载流H 子为空穴）。导体材料载流子浓度的确定1 V d由霍尔系数R =，可得H ne I BS IB n s（2）V deH如果知道V、I、B,就可确定该材料的载流子浓度。根据电导率与载流子浓度n以及HS迁移率卩之间的关系G nep知，通过实验测出c值即可求出P |R B（3）H霍尔组件对材料的要求 根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍

3、尔系数大（即迁移率 P 高、电阻率P亦较高）的材料。因lRJ - PP，就金属导体而言，卩和P均很低，而不良导体P虽 高，但P极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔组件。半导体P高， P 适中，是制造霍尔元件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔元 件都采用 N 型材料，其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔组件的 输出电压较片状要高得多。实验中的副效应及其消除方法在产生霍尔效应的同时，还存在一些与温度、电极与半导体接触处的接触电阻有关的效 应，这些效应也会在霍尔元件的上下侧面产生电位差。这种不是霍尔效应产生的电位差的存 在将影响测量结果的准

4、确性，实验时应当设法消除。本实验主要影响来自不等势电压V,a如图1所示，当电流I流过霍尔元件时，沿电流方向电位逐渐降低。设图中平行线为一系S 列等位线。如果两个电极引出线没有焊接在同一等位线上，这两个电极引出线间便存在电位差，称为不等势电位V。显然，不等势电位V的正负极性随电流的方向的不同而改变，与 aa磁场无关。等势面A，图1不等势电位V产生机理图示a除V外还存在由于热电效应和热磁效应所引起的各种副效应，这些副效应均可通过改a变I和B除V外还存在由于热电效应和热磁效应所引起的各种副效应，这些副效应均可通过改a变I和B的方向的方法加以消除。即在规定了电流和磁场正、负方向后，分别测量由下列 S四

5、组不同方向的I和B组合的电位差V，即：S+B， + IS-B，然后取平均值得H=V ；H1= V ；H3-B+B，+ISVHVH=-V2= -V4VV1V =H4这种消除伴随效应的方法，是消除系统误差的一种方法，采取这种措施后可以使测量准确度提高一个数量级。实验装置简介QSH型霍尔效应实验组合仪由实验装置和测试仪两大部分组成。A、螺线管实验装置（图2所示）1）电磁铁磁铁线包的引线有星标者为头，线包绕向为顺时针，根据线包绕向及励磁电流I的关 M系标明在线包上。2）样品和样品架样品材料为N型半导体硅单芯片，样品的几何尺寸为：厚度d = 0.5mm，宽度b = 4.0mm，A、C 电极间距L = 3

6、.0mm。样品共有三对电极，其中A、A或C、C用于测量霍尔电压V ； A、C或A、C用 H于测量传导电压V ； D、E为样品工作电流电极。样品架具有X、Y调节功能及读数装置。3）I和I换向开关及V、V切换开关。S MH oI及I换向开关投向上方，则I及I均为正值，反之为负值，“ V、V ”切换开 S MS MH o关投向上方测V，投向下方测V。HoO / O/VH输出O / O/VH输出B、测试仪（图3所示）1）“ I输出”为010mA样品工作电流源，“ I输出”为01A励磁电流源，两路SM输出电流大小通过I调节旋钮及I调节旋钮进行调节，其值可通过“测量选择”按键由同 SM一只数字电流表进行测

7、量，按键测I，放键测I。MS2）直流数字电压表IM和V通过功能切换开关由同一只数字电压表进行则量。电压表零位可通过调零电位四、实验内容及步骤1.测绘V I曲线HS1）将测试仪面板上的“ I输出” “ I输出”和“ V、V输入”三对接线柱分别与SMH o实验仪上的三对相应的接线柱正确相连。切不能将I电流接到样品电流上，否则可能烧坏 M样品。2） 将实验仪“V、V ”切换开关合向V狈测试仪“功能切换”置V，调“I调 TOC o 1-5 h z H oHHM节”，取I = 0.6A保持不变。M3）调“ I调节”，使I值为表中所示，并相应地转换I输入、I输入开关方向。测SSSM出V为V V V，V见表

8、。H1234(mA)(mV)(mV)(mV)(mV)V V + V VV =1234H4+1 q +B+1 q -B-1 q -B一 I q +B1.001.502.002.503.004.00 TOC o 1-5 h z 测量V值，计算电导率o1）将“V、V ”切换开关投向V狈“功能切换”置V。H ooo2）在零磁场下（I = 0 ），使I二2.00mA，测量V。MSoIl3）根据b二S ，计算b值。V bdb确定样品的导电类型将实验仪三组双刀开关均投向上方，取I二2.00mA , I = 0.6A，观测V大小及极SMH性，判断样品导电类型。求样品的R，n值H1）确定V -1曲线斜率KHS2

9、）由公式B = K I，计算B值，其中I = 0.6A，K值在磁铁线包上标明。B MMB3）计算R :HR = H x 108 = K x 108H I BBS式中，K为单位取伏/安，B的单位取高斯，d的单位取厘米，则化的单位为厘米3 库仑。4）计算 n:1n -ReH注意：关机前，应将“I调节”旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于零。然后S 才可切断电源。五、实验前作业为什么半导体中霍尔效应特别显着？如已知霍尔片的工作电流I及磁感应强度B的方向，如何判断样品的导电类型?S六、实验后作业本实验线路中为什么设置三个换向开关?它们各自的作用是什么?怎样利用霍尔效应测定磁场?实验二 四探针法测量半

10、导体电阻率及薄层电阻（综合性实验）一、实验目的了解样品的处理方法，掌握四探针法测量半导体材料方阻和电阻率的基本原理和方 法；能够熟练运用四探针法测量半导体薄层方块电阻与薄片电阻率，了解半导体阻值与 光照的关系；掌握利用 EXCEL 对存储在数据文件中的测量数据进行处理，计算电阻率、方块电 阻率及标准差。二、仪器设备计算机，RTS-8型双电测四探针测试仪三、实验原理测量的基本原理双电测组合四探针法采用了以下二种组合的测量模式（见图1）图1两种组合的测量模式将直线四探针垂直压在被测样品表面上分别进行i14v23和i13v24组合测量，测量过程如 下：1）进行114V23组合测量：电流I从1针一4针

11、，从2、3针测得电压V23+;电流换向，1从4针一1针，从2、3针测得电压V23-;计算正反向测量平均值：V23 = （V23+ + V23- ）/2；2）进行I13V24组合测量：电流I从1针一 3针，从2、4针测得电压V24+；电流换向，1从3针一1针，从2、4针测得电压V24-； 计算正反向测量平均值：V24=(V24+ +V24- )/2；计算(V23 / V24)值(以上V23、V24均以mV为单位)；按以下两公式计算几何修正因子K：若 1.18V(V23/V24)W1.38 时； TOC o 1-5 h z K= 14.696+25.173(V23 / V24)-7.872(V23

12、 / V24)2(1)若 1.10W(V23/V24)W1.18 时；K= 15.85+26.15(V23 / V24) 7.872(V23 / V24)2(2)计算方块电阻RD :RD = K(V23/I)(单位：Q /)(3)其中：I为测试电流，单位：mA； V23为从2、3针测得电压V23+和V23-的平均值, 单位： mV；若已知样品厚度W,可按下式计算样品体电阻率p :p =RD W F(W/S) / 10 (单位：Q .cm)；(4)其中：RD为方块电阻值，单位：Q /； W为样片厚度，单位：mm (W W3mm)；S 为探针平均间距，单位： mm； F(W/S) 为厚度修正系数；

13、计算百分变化率(以测试样品电阻率p为例)：(5)(6)(7)P P(5)(6)(7)最大百分变化()=m x 100%PmP P平均百分变化()=-x 100%P径向不均匀度E(%)(径向不均匀度E(%)(p - p )M k x 100% p +pMm以上式中： p 、 p 分别为测量的电阻率最大值与最小值，单位： Q.cm； p 为第1、M mc2点(即圆片中心测量点)测量平均值，单位： Q.cm； p 为除第1、 2点外其余各点的测 a量平均值，单位： Q .cm；(若测量样品的方块电阻值，则将(5)、(6)、(7)式中的P 、P、P、P分别改成R 、M m a cMR、R、和R。其公式

14、意义与P 、P、P、P相似)。m acM m a c2. RTS-8 型双电测四探针测试仪简介RTS-8型双电测四探针测试仪测量原理通过采用四探针双位组合测量技术，将范德堡测 量方法推广应用到直线四探针上。利用电流探针和电压探针的组合变换，进行两次电测量， 其最后计算结果能自动消除由样品几何尺寸、边界效应以及探针不等距和机械游移等因素所 引起的，对测量结果的不利影响。因而在测试过程中，在满足基本条件下可以不考虑探针间 距、样品尺寸及探针在样品表面上的位置等因素。这种动态地对以上不利因素的自动修正， 显著降低了其对测试结果的影响，从而提高了测量结果的准确度。由于不需要人为进行几何 边界条件和探针

15、间距的修正，因而对各种形状的簿膜材料及片状材料有广泛的适用性。仪器 适用于测量片状半导体材料电阻率以及硅扩散层、离子注入层、异型外延层等半导体器件和 液晶玻璃镀膜层、电热膜等导电膜的方块电阻（或称簿层电阻和面电阻）。仪器由四探针测试仪主机、探针测试台、四探针探头、计算机等部分组成，通过RTS-9 双电测四探针软件测试系统对四探针测试仪主机发出控制指令来获得用户需要的测量数据， 主机在接收到指令后按照测量程序进行测量（如四探针头探头电流探针和电压探针的组合变 换测量、电流量程切换、采集测量数据回主机等），并把采集到的数据反馈回计算机中加以 运算、分析，然后把测试数据以表格，图形直观地记录、显示出

16、来。用户可对采集到的数据 在电脑中保存或者打印以备日后参考和查看，还可以把采集到的数据输出到Excel中，让用 户对数据进行各种数据分析。仪器的技术指标、及使用方法详见附录A:RTS-9型双电测四探针测试仪用户手册四、实验内容及步骤该实验属于综合性实验，根据教学大纲的要求，学生应在学习并掌握四探针测试原理和 测试方法，熟悉实验仪器使用，实验软件安装调试的基础上，根据附录A:RTS-9型双电 测四探针测试仪用户手册中“测量样品基本操作流程”的相关内容自行设计实验步骤，实 现对半导体薄层方块电阻与薄片电阻率的测量。五、思考题光照与温度变化对半导体的电阻或电阻率的影响情况；半导体表面粗糙程度对其电阻

17、率的影响情况。实验三 椭偏法测薄膜厚度和折射率、实验目的1. 学习并掌握椭偏法基本测量原理；能够运用椭偏法测量透明介质薄膜（硅衬底上透明膜）厚度与折射率二、仪器设备WJZII型多功能激光椭圆偏振仪 三、实验原理介质膜的测量使一束自然光经起偏器变成线偏振光。再经 1/4波片，使它变成椭圆偏振光入射在待测 的膜面上。反射时，光的偏振状态将发生变化。通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面 的某些光学参数（如膜厚和折射率）。2. 椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量图 1 所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜。它有两个平行的界面。通常，上部是 折射率为片的空气（或真空）。中间是一层厚度为d折射率为n2的

18、介质薄膜，均匀地附在折 射率为气的衬底上。当一束光射到膜面上时，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别产生多光束干涉。其干涉结果反映了膜的光学特性。界面1界面1界面2根据电磁场麦克斯韦方程和边界条件及菲涅尔反射系数公式，可以推导出椭偏方程：tan屮 ei二 R / RPS+ r e -i2s 1 r r e -i21 p 2 pjl 1s 2 s、+ r r e -i逓丿4 + r e -i21 p 2 p1s2s其中屮和称为椭偏参数并具有角度量值，是气，气，气，申（入射角），入和d的函数，由于n, n,入，申为已知量，屮和由实验中测取，通过相关计算可得出薄膜折射131率n和厚度d。一般采用查表法或计算机处理数据（本仪器二种方法均可处理）需要说明的是，当气和n2为实数时，厚度d为一个周期数，其第一周期厚度d0为：0I02 n2 一 n2 sin2 rn2 1 1本实验只能计算d0,若实际膜厚大于d0,可用其他方法（如干涉片）确定所在的周期数 j,且总膜度为:WJZII型多功能激光椭