温度对半导体的电压电流影响试验

1、实验 温度、光对半导体导电特性的影响一.实验目的与意义无论是半导体单晶材料、PN结、还是器件，其电学特性（如：电阻率p、 I-V曲线、载流子迁移率科）均受温度、光（辐射）影响，因此，从原理上讲，半导体产品的应用受环境 温度、辐射限制大。所以在设计、使用半导体产品时必须考虑环境因素。通过本实验的学习，加深学生对半导体导电性理论的理解，培养学生自行设计实验方法，实际动手操作，观察现象，进行理论分析的能力。二.实验原理1.电阻率的测量：设样品电阻率P均匀，样品几何尺寸相对于探针间的距离可看成半无穷大。引入点电流 源的探针其电流强度为 I,则所产生的电力线有球面对称性，即等位面是以点电流源为中心 的半

2、球面，如图1-1所示。在以r为半径的半球上，电流密度 j的分布是均匀的。图1-1探针与被测样品接触点的电流分布(1-1 )若E为r处的电场强度，则(1-2)取r为无穷远处的电位 财零，并利用d “一，则有:取r为无穷远处的电位 财零，并利用d “一，则有:dr(r)rdEdrI r dr2 r2(1-3)(1-4)式（1-2 ）就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离r的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流对距离为r处的点的电势的贡献。图1-2四根探针与样品接触示意图对于图1-2所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4流出,则可将1则可将1和4探针

3、认为是点电流源,1-3 ）得到探针2和3的电位为:121224(1-5)r13r13(1-6)探针2探针2、3电位差为：V233,由此得出样品电阻率为:2 V231Ir12r242 V231Ir12r24r13r34_V23C(1-7)I式（1-7）就是利用直流四针探法测量电阻率的普遍公式。当电流取I=C 时，则有 p=V23,可由数字电压表直接读出电阻率。实际测量中，最常用的是直线四探针。即四根探针位于同一直线上，并且间距相等，设相邻两探针间距为 S,则半无穷大样品有:通常只要满足样品的厚度,2 S 6.28S(1-8)以及边缘与探针的最近距离大于四倍探针间距,通常只要满足样品的厚度,2 S

4、 6.28S(1-8)以及边缘与探针的最近距离大于四倍探针间距,样品近似半无穷大，能满足精度要求。.块状和棒状样品的电阻率四探针测试仪探针间距均为穷大边界条件，有 C=2兀，因此,1mm ,块状和棒状样品外形尺寸与探针间距比较，符合半无 只要l=6.28lo, I四探针测试仪探针间距均为穷大边界条件，有 C=2兀，因此,数值就是电阻率。.片状样品的电阻率片状样品其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时要提供对样品的厚度、测量位置的 修正系数。(1-9)c W c d(1-9)0G D S S式中：3为半无穷样品的电阻率;G W 为样品厚度 W与探针间距S的修正函数，可S式中：3为半无穷样品的电阻

5、率;d 由附录1查得；D 一 为样品形状和测量位置的修正函数，可由附录 2查得。当圆形硅片S，、“ W 一的厚度满足一 0.5时，有:S(1-10 )V4.53-W(1-10 )I2.由p-T曲线可知温度对电阻率影响很大，实验测得的高阻单晶硅片与掺杂单晶硅片p-T曲线完全不同，这可由电阻率公式说明：1本征半导体电阻率 pi： i (2-1)Qq( n p)1掺杂半导体电阻率 P : (2-2)nq n pq p)本征半导体电阻率由载流子浓度ni决定，ni随温度上升而急剧增加，室温附近，温度每增加8C,硅白n ni就增加一倍，因为迁移率只稍有下降， 所以电阻率将相应地降低一半左右。300K时，p

6、i 约为 2.3*10 5 cm对掺杂半导体，有杂质电离和本征激发两个因素存在，由有电离杂质散射和晶格散射， 两种散射机构的存在，因而，复杂。图 2-1是掺杂单晶硅p -T曲线示意图。P个-P个-本征半导体工C极架半导体T图2-1 Si的p-T曲线示意图温度较低时，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供， 它随着温度升高，而增加； 散射主要由电离杂质决定，迁移率随温度升高也增大，所以，p-T曲线下降（AB段）。温度继续升高，杂质已全部电离，本征激发还不显著，载流子基本不变，而晶格振动散射成为主要影响因素，迁移率虽温度升高而降低，所以，p -T曲线上升（BC段）。温度继续升高，本 征激发很快增

7、加，本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响，本征激发成为最主要影响因素，表现出与本征半导体相似的特性（CD段）。三.实验内容学生自行设计一半导体材料、芯片或器件的电学特性随环境温度或光注入变化的实验方案，在实验室现有条件下，进行测试，并对实验现象和结果进行分析、讨论，给出合理的理 论解释。四.实验样品与仪器SZ82四探针测试仪，晶体管特性图示仪，YY2814LCRB动测试仪，调温探针台，温控仪，白炽灯等，高阻单晶硅片，掺杂单晶硅片，pn芯片，晶体管、二极管。五.实验步骤以半导体电阻率随温度的变化为例：1、实验方法采用SZ82四探针测试仪，温控仪，测量高阻单晶硅片、掺杂单晶硅片的电阻率

8、随温度的变化，即做出电阻率-温度（p-T）曲线，对比高阻单晶硅与掺杂单晶硅p-T曲线的不同。2、测试数据：按实验五调试四探针仪， 硅片置于温控仪测试台上， 从室温开始升温，每隔几C测一组（P , T）值，分别列表记录测试结果，绘出高阻单晶硅片与掺杂单晶硅片的p-T曲线。由室温电阻率与硅掺杂浓度关系（附表p -n曲线），得到硅片样品的杂志浓度含量。六.数据处理记录掺杂半导体电阻率随温度变化数据，画出p-T图，分析误差。PT数据图反映的是上图BC段，电阻率随温度上升而上升。BC段杂质已进入强 电离区，本征激发不显著，载流子浓度基本不变，晶格振动散射成为主要的影响 因素，随温度升高晶格振动散射加剧，迁移率随温度的升高而降低，故p -T曲线 呈上升趋势（BC段）。)M ,Q由于AB段温度太低，CD温度太高，由于实验仪器的工作温度限制，上述两段超出测量范围，所以没有反映出 AB段、C而趋势的数据。七.讨论题实验数据误差分析。电阻率测量误差：实验设备接触不好，接触过松会产生放电对实验设备如探针造成损坏，过紧会产生形变，影响载流子的分布；边缘不完全垂直于探针，使探针间间距有差异，从而导致电压分布的差异；零位的波动影响，输入电流为0时，输出不为0；以及样品或测量档位的不对称也可能导致零位变化，从而影响测量结果。温度测量误差：实验仪器