半导体物理实验报告

电子科技大学半导体物理实验报告姓名：艾合麦提江学号：2010033040008班级：固电四班实验一半导体电学特性测试测量半导体霍尔系数具有十分重要的意义。根据霍尔系数的符号可以判断材料的导电类型；根据霍尔系数及其与温度的关系，可以计算载流子的浓度，以及载流子浓度同温度的关系，由此可确定材料的禁带宽度和杂质电离能；通过霍尔系数和电阻率的联合测量．能够确定我流子的迁移约用微分霍尔效应法可测纵向载流子浓度分布；测量低温霍尔效应可以确定杂质补偿度。霍尔效应是半导体磁敏器件的物理基础。1980年发现的量子霍尔效应对科技进步具有重大意义。早期测量霍尔系数采用矩形薄片样品．以及“桥式”样品。1958年范德堡提出对任意形状样品电阻率和霍尔系数的测量方法，这是一种有实际意义的重要方法，目前已被广泛采用。本实验的目的使学生更深入地理解霍尔效应的原理，掌握霍尔系数、电导率和迁移率的测试方法，确定样品的导电类型。一、实验原理如图，一矩形半导体薄片，当沿其x方向通有均匀电流I，沿Z方向加有均匀磁感应强度的磁场时，则在y方向上产生电势差。这种想象叫霍尔效应。所生电势差用VH表示，成为霍尔电压，其相应的电场称为霍尔电场Ey。实验表明，在弱磁场下，Ey同J（电流密度）和B成正比Ey=RHJB（1）式中RH为比例系数，称为霍尔系数。在不同的温度范围，RH有不同的表达式。在本征电离完全可以忽略的杂质电离区，且主要只有一种载流子的情况，当不考虑载流子速度的统计分布时，对空穴浓度为p的P型样品0pq1RH（2）式中q为电子电量。对电子浓度为n的N型样品0nq1RH（3）当考虑载流子速度的统计分布时，式（2）、（3）应分别修改为nq1Rpq1RnHHpHH（4）式中μH为霍尔迁移率。μ为电导迁移率。对于简单能带结构HnHpH（5）γH称为霍尔因子，其值与半导体内的散射机制有关，对晶格散射γH=3π/8=1.18;对电离杂质散射γH=315π/512=1.93,在一般粗略计算中,γH可近似取为1.在半导体中主要由一种载流子导电的情况下，电导率为nnnq和pppq（6）由（4）式得到pHpHR和nHnHR（7）测得RH和σ后，μH为已知，再由μ（N，T）实验曲线用逐步逼近法查得μ，即可由式（4）算得n或p。这样得到的γh=μH/μ，已计入了多种散射同时存在的影响和能带结构修正。在温度较高时,半导体进入过渡区和本征导电范围,必须考虑样品中同时存在两种载流子的影响.在弱电场条件下,可以证明22HHnbpnb-pq1R(8)式中b=μn/μp。对N型半导体n=ND-NA+p（9）对P型半导体p=NA-ND+n（10）如只考虑晶格散射，电导率为LpLnpnq（11）式中μLn和μLp和分别为电子的晶格散射迁移率，这里b=μLn/μLp。由式（9）、（10）和（11）可得N型1bNNbqp1bNNqnADLpADLp（12）P型1bNNqp1bNNbqnDALpDALp（13）μLn和μLp可查阅实验手册。当b已知，便可由测得的电导率计算出n和p的值。二、实验仪器1、励磁恒流源IM♦输出电流：0～1A，连续可调，调节精度可达1nA。♦最大输出负载电压：24V。2、霍尔元件工作恒流源IS♦输出电流：0～10mA，连续可调，调节精度可达10μA。3、直流数字毫伏表：♦测量范围：±20mV，±20mV。489489注意事项：1、霍尔元件是易损元件，必须防止元件受压、挤、扭和碰撞。2、实验前检查电磁铁和霍尔元件二维移动装置是否松动。3、记录数据时，为了不使电磁铁过热，不能长时间闭合励磁电源的换向开关4、仪器不宜在强光照射下、高温下或有腐蚀性气体的场合中使用，不宜在强磁场中存放。5、实验完毕，请务必切断电源，避免线圈过热造成仪器烧毁，否则后果自负。三、实验方法步骤（1）对于电磁铁的磁化电流IM为定值（相应有一个确定的磁场B，参见仪器上标签），取10种不同的工作电流IS（0~10mA），测量相应的霍尔电压VH，共测量5个工作点（Bi，i=1，2，3，4，5），具体如下：BiISVH斜率RHB／d+Bi+ISVH1-ISVH2-Bi+ISVH3-ISVH4（2）对于每个Bi，横坐标取工作电流IS，纵坐标取霍尔电压VH，理论上得到一条通过坐标原点“0”的倾斜直线，计算其斜率RHB／d，求其平均值414RBHdHRBd；根据己知的B和d（0.2mm），求得其霍尔系数RHi。（3）计算五个工作点的霍尔系数平均值515HiiRHR。（4）根据1HHIBnVdeRe和己知载流子的电量e，可求得载流子浓度n。四、实验结果分析与思考题样品尺寸：L=6mmb=3mmd=0.2mmIAB=1mAVAB=150mVB=0.43T正向:平均霍尔电压mV17.310VV101iHiH霍尔系数zABHHBIVR=0.17cm3/C电导率dbVLIABABH=0.67/Ω˙cm反向:平均霍尔电压mV88.310VV101iHiH霍尔系数zABHHBIVR=0.18cm3/C电导率dbVLIABABH=0.67/Ω˙cm霍尔迁移率HHHR=0.12cm2/Ω˙C由于正、反向测出样品的霍尔系数为正，可以判断样品为P型。实验二MOS结构高频C－V特性测试分析MOS结构高频电容-电压特性（简称C－V特性）测量是检测MOS器件制造工艺的重要手段。本实验目的是通过测量MOS结构高频C-V特性，确定二氧化硅层厚度dOX、衬底掺杂浓度N等参数．一、实验原理MOS结构如图1.1所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。但是a.MOS结构示意图b.等效电路图1.2p-SiMOS结构C-V特性图1.1MOS结构示意图和等效电路，由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度（～微米量级），而不象金属中那样，只集中在一薄层（∽0．1nm）内。半导体表面空间电荷区的厚度随偏压VG而改变，所以（1）式中QG是金属电极上的电荷面密度，A是电极面积。考虑理想MOS结构，所谓理想情形，是假设MOS结构满足以下条件：（1）金属与半导体功函数差为零，（2）SiO2绝缘层内没有电荷，（3）SiO2与半导体界面处不存在界面态。偏压VG一部分降在SiO2上，记作VOX，一部分降在半导体表面空间电荷区，记作VS，即VG=VOX+VS（2）VS又叫表面势。考虑到（3）式中Qsc是半导体表面空间电荷区电荷面密度。将（2）、（3）代入（1）式，（4）（4）式表明MOS电容由COX和Cs串联而成，其等效电路如图1.1（b）所示。其GscQQsOXsOXsOXsOXGGGCCCCC1C11dVdVdQAdVdQACGGdVdQAC中COX是以SiO2为介质的氧化层电容，它的数值不随改变；Cs是半导体表面空间电荷区电容，其数值随VG改变，因此（5）式中εr0是SiO2相对介电常数。P型衬底理想MOS结构高频电容-电压特性曲线如图1.2所示。图中V代表偏压。最大电容Cmax≈COX，最小电容Cmin和最大电容Cmax之间有如下关系（6）VS=0时，半导体表面能带平直，称为平带。平带时的MOS电容称为平带电容，记为CFB。对于给定的MOS结构，归一化平带电容由下式给出：（7）显然，对于理想MOS结构，VFB=0。考虑实际的MOS结构。由于SiO2中总是存在电荷（通常是正电荷），且金属的功函数Wm和半导体的功函数Ws通常并不相等，所以VFB一般不为零。若不考虑界面态的影响，有（8）式中QOX是SiO2中电荷的等效面密度，它包括可动电荷QI和固定电荷Qfc二部分。“等效”是指把SiO2中随机分布的电荷对VFB的影响看成是集中在Si-SiO2界面处的电荷对VFB的影响。Vm-s是金属-半导体接触电势差，（9）图1.3p-SiMOS结构的高频C-V特性sscOX0r0GGOXdVdQACsdAdVdQAC21irs0OXrs0rmaxminnNlnNqkTd11CC221rs0OXrs0roxFBNqkTd11CC2msoxOXFBVCAqQVqWWVmsms对于铝栅p型SiMOS结构，Vm-s0,QOX通常也0(正电荷),所以VFB0,如图1.3中的曲线所示.作为对比,图中还化出了相应的理想曲线(曲线0).利用正、负偏压温度处理的方法（简称±BT处理）可将可动电荷QI和固定电荷Qfc区分开来。负BT处理是给样品加一定的负偏压（即VG0）,同时将样品加热到一定的温度.由于可动电荷(主要是带正电的Na+离子)在高温下有较大的迁移率,它们将在高温负偏压下向金属-SiO2界面运动.经过一定的时间,可以认为SiO2中的可动电荷基本上全部运动到金属-SiO2界面处保持偏压不变，将样品冷却至室温，然后去掉偏压，测量高频C-V特性，得到图3中的曲线2。由于这时可动电荷已经全部集中到金属-SiO2界面处，对平带电压没有影响了，根据（8）式可得（10）若Vms已知，由式（10）可以确定SiO2中的固定电荷（11）改变偏压极性，作正BT处理。加热的温度和时间与负BT相同。正BT处理后，测量高频C-V特性，得到图3中的曲线3。由于这时可动电荷已基本上全部集中到Si-SiO2界面处，所以VFB3中包括了QI和Qfc的影响。根据（8）和（10）式（12）令由式（12）可确定可动电荷面密度（13）二、实验仪器1、测试台（包括样品台、探针、升温和控温装置、水冷却装置等）；2、590型高频C-V测试仪；msOXfc2FBfcOXVCAqQVQQ22FBmsOXfccmAqVVCQfcIOXQQQ2FBOXImsOXfcOXI3FBVCAqQVCAqQCAqQV3FB2FBFBVVV2FBOXIcmAqVCQ3、软件；4、微机图2.1实验仪器示意图三、实验内容测量MOS结构高频C-V特性，确定二氧化硅层厚度dOX、衬底掺杂浓度N和可动电荷面密度QI等参数。四、实验步骤主要包括七个步骤:打开各仪器的电源,预热10分钟;启动Metrics-ICS设置IEEE-488(SetupGPIB)设置测试仪器(SelectInstrument)设置测试条件(Edittestsetup)设置计算公式（如果有间接测量结果Transformeditor）执行测试(Measure)图表分析、文件存档和打印以下将给出包括直观性较强的界面在内的详细操作步骤:人、机安全注意事项:A、操作之前，请注意将机器正确接地；B、检修之前，请注意按操作手册将C-V测试仪与电源线及其它设备断开；C、在测试仪器工作时，禁止触摸仪器的端口。（详细安全信息请详细阅读操作手册）(一)打开各仪器的电源,预热10分钟;(二)启动Metrics-ICS:图4.1Metrics-ICS窗口(二)设置IEEE-488(SetupGPIB)：图4.2这个对话框设置计算机内的IEEE-488板卡的属性，如果是第一次运行Metrics-ICS、或对IEEE-488板卡硬件如地址等属性作了修改，必须填写这个对话框。在以后的测试过程中，图4.2设置IEEE-488板卡就不需要再做这一步了，而是直接从设置测试仪器开始。(三)设置测试仪器(SelectInstrument):设置测试仪器不是指加多少电压啦、在哪里测电流啦等等诸如此类的东西，而是指计算机要对哪台仪器说话（GPIB）、说什么话（UNIT）。在知道这些信息之前是谈不上加电压测电流或加