《半导体物理》实验指导书(2009年版)

半导体物理信息工程学院电子科学与技术教研室2009实验指导书目录实验一：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1.了解霍尔器材对材料要求的知识；2.学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的SHIV~曲线；3.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1.导体材料霍尔系数的确定由霍尔电压HV与磁感应强度B的关系，BIdRVSHH知，只要测出HV以及知道SI、B和d，可计算出霍尔系数BIdVRSHH（1）2.导体材料导电类型的确定若实验中能测出SI、B的方向，就可判断HV的正负，决定霍尔系数的正负，从而判断出半导体的导电类型。当0HR时，样品属N型（载流子为电子），反之则为P型（载流子为空穴）。3.导体材料载流子浓度的确定由霍尔系数BIdVneRSHH1，可得deVBInHS（2）如果知道HV、SI、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以及迁移率之间的关系ne知，通过实验测出值即可求出HR（3）4.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，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率亦较高）的材料。因HR，就金属导体而言，和均很低，而不良导体虽高，但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高，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。5.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，如图1所示，当电流SI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，与磁场无关。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变SI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，分别测量由下列四组不同方向的SI和B组合的电位差HV，即：+B，+SI1VVH；-B+SI2VVH-B，-SI3VVH；+B，-SI4VVH然后取平均值得44321VVVVVH（4）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。6.实验装置简介QS—H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MI的关系标明在线包上。2）样品和样品架ISAA，VHVH等势面图1不等势电位V产生机理图示样品材料为N型半导体硅单芯片，样品的几何尺寸为：厚度mmd5.0，宽度mmb0.4，A、C电极间距mmL0.3。样品共有三对电极，其中A、'A或C、'C用于测量霍尔电压HV；A、C或'A、'C用于测量传导电压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）SI和MI换向开关及HV、V切换开关。SI及MI换向开关投向上方，则SI及MI均为正值，反之为负值，“HV、V”切换开关投向上方测HV，投向下方测V。B、测试仪（图3所示）1）“SI输出”为0～10mA样品工作电流源，“MI输出”为0～1A励磁电流源，两路输出电流大小通过SI调节旋钮及MI调节旋钮进行调节，其值可通过“测量选择”按键由同一只数字电流表进行测量，按键测MI，放键测SI。2）直流数字电压表VH输出IS输入IM输入霍尔元件IM输入Y方向调节螺丝探杆励磁线圈X方向调节螺丝图2实验仪装置示意图MI和V通过功能切换开关由同一只数字电压表进行测量。电压表零位可通过调零电位器进行调整。当显示器的数字前出现“一”号时，表示被测电压极性为负值。四、实验内容及步骤1.测绘HV—SI曲线1）将测试仪面板上的“SI输出”、“MI输出”和“HV、V输入”三对接线柱分别与实验仪上的三对相应的接线柱正确相连。切不能将MI电流接到样品电流上，否则可能烧坏样品。2）将实验仪“HV、V”切换开关合向HV侧，测试仪“功能切换”置HV，调“MI调节”，取AIM6.0保持不变。3）调“SI调节”，使SI值为表中所示，并相应地转换SI输入、MI输入开关方向。测出HV为V1，V2，V3，V4见表。SI(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)44321VVVVVH+SI+B+SI-B-SI-B-SI+B1.001.502.002.503.004.002.测量V值，计算电导率1）将“HV、V”切换开关投向V侧，“功能切换”置V。2）在零磁场下（0MI），使mAIS00.2，测量V。调零VH电压输入IS输出IM输出IS调节IM调节ONOFFmAAmVQS-H型霍尔效应实验组合仪200mV20mV图3测试仪面板示意图3）根据bdVlIS，计算值。3.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mAIS00.2，AIM6.0，观测HV大小及极性，判断样品导电类型。4.求样品的HR，n值1）确定HV-SI曲线斜率K。2）由公式MBIKB，计算B值，其中AIM6.0，BK值在磁铁线包上标明。3）计算HR：881010BdKBIdVRSHH式中，K为单位取伏/安，B的单位取高斯，d的单位取厘米，则HR的单位为库仑厘米3。4）计算n：eRnH1注意：关机前，应将“SI调节”旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于零。然后才可切断电源。五、实验前作业1.为什么半导体中霍尔效应特别显着？2.如已知霍尔片的工作电流SI及磁感应强度B的方向，如何判断样品的导电类型？六、实验后作业1.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？2.怎样利用霍尔效应测定磁场？实验二四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻（综合性实验）一、实验目的1.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；2.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；3.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1.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）。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I14V23组合测量：电流Ｉ从１针→４针，从２、３针测得电压V23+；电流换向，Ｉ从４针→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→３针，从２、４针测得电压V24+；I14V23组合↓V1234↑I13V24组合↓V1234↑图1两种组合的测量模式电流换向，Ｉ从３针→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；3)计算（V23／V24）值（以上V23、V24均以mV为单位）；4)按以下两公式计算几何修正因子Ｋ：若1.18＜（V23／V24）≤1.38时；K＝－14.696＋25.173(V23／V24)－7.872(V23／V24)2(1)若1.10≤（V23／V24）≤1.18时；K＝－15.85＋26.15(V23／V24)－7.872(V23／V24)2(2)5)计算方块电阻R□：Ｒ□＝Ｋ·(V23／Ｉ)(单位：Ω／□)(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；6)若已知样品厚度W，可按下式计算样品体电阻率ρ：ρ＝R□·W·F(W/S)／10(单位：Ω.cm)；(4)其中：Ｒ□为方块电阻值，单位：Ω／□；W为样片厚度，单位：mm（W≤3mm）；S为探针平均间距，单位：mm；F(W/S)为厚度修正系数；7)计算百分变化率（以测试样品电阻率ρ为例）：最大百分变化（％）＝%100mmM(5)平均百分变化（％）＝%100cca(6)径向不均匀度Ｅ（％）＝%1002mMmM(7)以上式中：M、m分别为测量的电阻率最大值与最小值，单位：Ω.cm；c为第1、2点（即圆片中心测量点）测量平均值，单位：Ω.cm；a为除第1、2点外其余各点的测量平均值，单位：Ω.cm；（若测量样品的方块电阻值，则将(5)、(6)、(7)式中的M、m、a、c分别改成MR、mR、aR、和cR。其公式意义与M、m、a、c相似）。2.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1.光照与温度变化对半导体的电阻或电阻率的影响情况；2.半导体表面粗糙程度对其电阻率的影响情况。实验三椭偏法测薄膜厚度和折射率一、实验目的1.学习并掌握椭偏法基本测量原理；2.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WJZ－Ⅱ型多功能激光椭圆偏振仪三、实验原理1.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