搜索
9-1硅的霍耳系数及电阻率的测量（教案）实验的目的要求：1．通过在不同温度条件下对高阻P型Si的霍尔系数和电阻率的测量，了解半导体内存在本征导电和杂质导电、晶格散射和杂质散射等物理过程。2．通过实验测量，由霍尔系数的符号确定载流子的类型，并且确定禁带宽度Eg、净杂质浓度AN、载流子浓度p和n及迁移率μ等基本参数。教学内容：1．让学生熟悉永磁魔环的磁场分布，学会正确地变换永磁魔环的磁场方向。2．了解霍尔样品的制备和安装、样品架及其在杜瓦瓶和永磁魔环中的安装要求：（1）样品应处于永磁魔环中央；（2）确保磁场方向分别与样品表面平行和垂直。3．熟悉霍耳效应测试设备，掌握正确测定P型Si霍尔系数和电阻率的方法。4．测量室温到165℃温度范围内样品的电阻率和霍尔系数。5．总结分析得到的结果，看存在那些规律，并对此作出解释。实验过程中可能涉及的问题：（有的可用于检查予习的情况，有的可放在实验室说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回答的问题，不同的学生可有不同的要求）1．学习了解P型硅电阻率和霍尔系数随温度的变化关系，以及产生这种变化的原因。2．学习掌握通过霍尔系数和电阻率测量来确定材料的迁移率μ、净杂质浓度AN、载流子浓度p和n以及禁带宽度Eg等基本参数。3．在BWH−1型霍尔效应测试仪上待测电压VⅠ、VⅡ和VⅢ的含义是什么？实验测得电势差VⅢ（0，+I）和VⅢ（0，−I）是如何形成的？如何利用测得的VⅠ和−VⅠ、VⅡ和−VⅡ、VⅢ（0，+I）和VⅢ（+H，+I）、VⅢ（0，−I）和VⅢ（−H，−I）计算电阻率和霍尔系数？4．在本实验中那些因素影响霍尔系数的正确测量？怎样克服这些因素的影响？5．利用永磁魔环代替传统电磁体进行霍尔系数测量的优点是什么？在测量方法上有什么不同？6．在实验测量过程中，霍尔效应测试仪上样品温度为什么与温度控制仪显示的温度不一致？如何调节加热电压使样品温度尽快达到平衡？7．在变温测量过程中随着样品温度逐渐升高，霍尔电压的极性发生变化，试问产生这种极性变化的原因是什么？8．根据实验测量结果，逐一计算不同温度条件下的电阻率ρ和霍尔系数HR。根据计算出的电阻率及霍尔系数，作lnρ~(1000/T)及lnHR~(1000/T)曲线，指出杂质电离饱和区的温度范围，并根据昀高测量温度时样品的空穴浓度与杂质浓度（受主型）的比较结果，判断实验中样品是否已完全进入本征态范围。9．利用式（9-1-1）计算杂质电离饱和区内空穴迁移率LPμ，并且作出lnLPμ~lnT曲线。假设LPμ=xAT−，计算出A及x值并与Morin的结果：Lnμ=4.0×1096.2−T,LPμ=2.5×1083.2−T（cm2/V⋅s）作比较。10．利用实验数据及式（9-1-16）估算b值，并利用式（9-1-4）在HR的极值温度下算出的b值进行比较，试讨论它们之间为何会有比较大的区别。11．利用()300LPμ=480cm2/V⋅s，以及从测量得lnρ~(1000⁄T)曲线中查出T=300K时的电阻率，求出杂质浓度AN。12．产生本征激发的温度范围内，利用式（9-1-5）和（9-1-2）计算空穴浓度p、电子浓度n，式中LPμ由杂质电离饱和区的lnLPμ~lnT曲线外推得到，b值可由Morin结果式（9-1-4）得到。作lnp~()T1000曲线和⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅3lnTnp~()T1000曲线，并且利用⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=⋅KTEATnpgexp3，求出硅的禁带宽度gE。难点：1．变温霍尔测量过程中，为什么温度稳定需要较长的时间？测量过程中永磁魔环转动过快会影响温度显示吗？为什么？如何消除这现象。2．在样品架上，样品和加热丝外包裹着一层抗高温的绝缘膜，它在样品温度快速达到平衡过程中起什么作用？3．在霍尔电压测量过程中极性由正变为负时，有时电压显示不稳定的原因是什么？如何进行正确测量？可进一步探索的问题：1．设计一种固定和调节样品的方案，以确保磁场方向分别与样品表面平行或者垂直。2．在80K~室温范围内，测量P型硅电阻率和霍尔系数随温度的变化关系，并且与前面测量结果进行比较并且作出解释。9-2用电容−电压法测量半导体中的杂质分布（教案）实验的目的要求：1.掌握C−V法测量p+−n结轻掺杂一边的杂质浓度及其分布的工作原理。2.利用C−V法测量p+−n结轻掺杂一边的杂质浓度及其分布。3.了解锁定放大器的基本原理，学会正确地使用锁定放大器。教学内容：（1）了解Model128Lock－inAmplifier的工作原理和使用方法。（2）用128Lock－inAmplifier测量信号)(tv的有效值Vs和相位φ0。这里的φ0为选择开关K置“校)(tv”位置时的测量结果。（3）把锁定放大器的时间常数分别选为1ms，100ms，1000ms，观测锁定放大器的输出信号的稳定性；增大白噪声，使锁定放大器输出不稳定，用X－Y记录仪记录上述三个时间常数下的Vso－t曲线（t为时间）。解释实验结果。（4）检验锁定放大器输出（V0）与被测标准电容（Cx）的线性关系，并观测相位（φx-φ0）与Cx的关系。（5）研究测试电路输出信号相位φ与二极管（D1-D5）反向偏压VR之关系。解释实验结果。（6）测二极管D1的VC−曲线。（7）利用二极管D1的VC−曲线，研究杂质浓度及其分布情况。实验过程中可能涉及的问题：（有的可用于检查予习的情况，有的可放在实验室说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回答的问题，不同的学生可有不同的要求）1．杂质浓度分布与p+−n结势垒电容之间的关系是什么？2．测量p−n结势垒电容的原理是什么3．如何测定p−n结势垒电容随负偏压的变化？4．解释p−n结势垒电容随负偏压的变化规律。5．锁定放大器从噪声中提取微弱信号的工作原理是什么？6．安全使用锁定放大器的要点是什么？7．如何正确地选择锁定放大器灵敏度？锁定放大器的放大倍数是如何确定的？8．怎样估计从锁定放大器输出信号的大小？如何测定信号的相位？9．为什么相位选择器只能沿顺时针方向旋转？如果沿逆时针方向旋转有什么后果？10．在使用锁定放大器时，对所提取微弱信号的频率与模拟乘法器中参考信号的频率有何要求？噪声中与参考信号频率相同的成分能否用锁定放大器来消除它的影响？11．如果p＋-n单边突变结二极管存在漏电对测试结果会有什么影响？12．利用VC−曲线计算二极管中浅掺杂一边的杂质浓度分布。列表给出各偏压VR下的电容C，1/C2,dC/dV,w及杂质浓度()wN值（在本实验中已知p＋－n结面积A＝5.03×10-3cm2，cmF/10854.88.11140−××=εε），并作出()wN−w杂质分布曲线。13．作1/C2～VR关系曲线，由此曲线的直线部分外推至1/C2＝0，外推直线在V轴之截距即为单边突变结的自建势VD，给出VD的数值。难点：1．有时记录到C-V曲线不太平滑的原因是什么？如何才能获得平滑的C-V曲线？2．本实验的C-V法只适用于测量单边突变结二极管浅掺杂一边的杂质浓度分布，其原因是什么？可进一步探索的问题：1．在现有的实验测量条件下，能否借助计算机来提高测量结果的正确性？具体方法是什么？2．根据目前教科书提供的测量线路图，请设计一个用计算机采集、记录和数据处理具体实验方案。9-3用热激活法测量肖特基势垒高度（教案）实验的目的要求：a)学习金属－半导体接触的有关基础理论知识；b)了解和掌握肖特基势垒的测量方法；c)正确地测定肖特基势垒高度和理查逊常数等物理量。教学内容：1.在晶体管图示仪上检查SinPt−/和GaAsnAu−/的肖特基势垒二极管的伏安特性是否良好。2.利用式（9—3—9）测量SinPt−/的品质因子n，串联电阻R。在300K温度下，选择适当的电压间隔（如0.02V），分别测量正向偏置电压从0.10－0.30V范围内各个电压下的电流I值。作IdIdV1−曲线，由曲线定出品质因子n、串联电阻R。3.利用式（9—3—11）测量SinPt−/的肖特基势垒高度bqφ和有效理查德常数A**（本实验金属与半导体接触的有效面积：231083.2cmAe−×=）。固定正向偏置电压（如0.16V），分别测量样品在不同温度条件下的电流I值，作TTI1000)ln(2−曲线。由曲线定出肖特基势垒高度bqφ和有效理查德常数A**。（注：当温度稳定以后，应确认偏置电压。）4.测量GaAsnAu−/的品质因子n，串联电阻R。在300K温度下，选择适当的电压间隔（如0.02V），分别测量正向偏置电压从0.10－0.30V范围内各个电压下的电流I值。作IdIdV1−曲线，由曲线定出品质因子n、串联电阻R。5.测量GaAsnAu−/肖特基势垒高度bqφ和有效理查德常数A**（本实验金属与半导体接触的有效面积：231002.5cmAe−×=）。固定正向偏置电压（如0.20V），分别测量样品在不同温度条件下的电流I值，作TTI1000)ln(2−曲线，由曲线定出肖特基势垒高度bqφ和有效理查德常数A**。（注：当温度稳定以后，应确认偏置电压。）实验过程中可能涉及的问题：（有的可用于检查予习的情况，有的可放在实验室说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回答的问题，不同的学生可有不同的要求）1．肖特基势垒形成的机理是什么？2．利用热激活法如何测定肖特基势垒二极管的品质因子n、串联电阻R？正确测量的条件是什么？3．利用热激活法如何测定理查逊常数A**和肖特基势垒高度bqφ？正确测量的条件是什么？4．为什么在测量前检查肖特基势垒二极管的伏安特性？5．对肖特基势垒二极管加偏压及测试电流时，为什么样品温度要发生变化？怎样减小温度变化对实验测量的影响？6．固定偏压测不同温度条件下肖特基势垒二极管的电流时，为什么每一温度都要重新确认偏置电压值？7．测试电流太小或太大，将会对肖特基势垒高度有什么样的影响？8．分别画出本实验测量的两种肖特基势垒二极管的IdIdV1−曲线和TTI1000)ln(2−曲线，算出品质因子n，串联电阻R，肖特基势垒高度bqφ和有效理查德常数A**。9．如果品质因子n与1的差别较大和串联电阻R太大，如何对bqφ进行修正。当正向偏压固定时，在不同温度条件下测电流I与温度T的关系，可以得到肖特基势垒高度bqφ和有效理查德常数A**。试比较下列两种情况下获得实验结果：（1）取1≈n，以及IRV，即用（9-3-11）式推算出肖特基势垒高度bqφ和有效理查德常数A**。（2）直接利用实验测得的n和R值，来推算肖特基势垒高度bqφ和有效理查德常数A**。难点：1.利用差分法处理数据常产生比较大的误差。能否利用计算机提高测量结果的正确性？具体方法是什么？2.如果电压测量范围分别选择在（0.1V~0.3V）和（0.25V~0.45V），对测量结果有影响？原因是什么？3.根据书上提供的测量线路，当温度温度稳定以后进入测量时样品温度却发生了变化，其原因是什么？如何克服这一现象？可进一步探索的问题：1．在低温条件进行热激活法测量肖特基势垒高度，观测温度对肖特基势垒高度的影响。2．选择不同载流子浓度样品，观测载流子浓度对肖特基势垒高度的影响。