半导体物理实验报告

1半导体物理实验报告班级150273第9组组员1：姓名谭祖雄学号15371201成绩_______组员2：姓名王嘉伟学号15027328成绩_______日期2017/12/212目录实验一四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻......................................................3实验二半导体霍尔系数和电导率测量..................................................................10实验三高频光电导衰退法测半导体寿命..............................................................15实验四测量二极管I-V特性及理想因子...............................................................19实验五利用C-V测试仪汞探针测量硅片的掺杂浓度............................................24实验六MOS结构准静态C－V特性测量.............................................................28实验七太阳能电池测量.......................................................................................333实验一四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻一、实验目的掌握四探针法测量材料电阻率和薄层电阻的测量原理及方法，针对不同几何尺寸的样品，掌握其修正方法；了解影响电阻率测量的各种因素及改进措施；了解热探针法判断半导体材料的导电类型以及用阳极氧化剥层法求扩散层中的杂质浓度分布。二、实验原理简述1、半导体材料的电阻率在半无穷大样品上的电流源，若样品的电阻率ρ均匀，引入电流源探针其电流强度为I，则所产生的电力线鱼油球面的对称性，即等位面一系列以点电流为中心的半球面，如图1.1所示。根据一系列推到，可以得到离开点电流源距离为r的点的电位与探针留过的电流和样品电阻率的关系式。V(r)=𝐼𝜌2𝜋𝑟对于如图1.2所示的情形，四探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4流出，则可将1和4探针认为是电流源。4因此可推导出样品的电阻率为：ρ=2πV23𝐼(1𝑟12−1𝑟24−1𝑟13−1𝑟34)−12、四探针法测量半导体材料的电阻率实际测量中，最常用的是直线型四探针，即四探针的针尖位于同一直线上，并且间距相等，设r12=r23=r34=S。如果被测量样品不是半无穷大，而是厚度一定，横向尺寸一定。这是在四探针法中需引入适当的修正系数B0即可，此时：ρ=2𝜋𝑆𝐵0𝑉23𝐼其中B0的数值，与样品的尺寸及所处条件有关。另一种情况是极薄样品，它是指样品厚度d比探针间距小很多，而横向尺寸无穷大，其电阻率为：ρ=(𝜋𝑙𝑛2)d𝑉23𝑙=4.5324𝑑𝑉23𝐼3、扩散层的薄层电阻实际工作中，直接测量扩散层的薄层电阻，又称方块电阻，其定义就是表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。但因为实际中会遇到一些问题，所以对公式进行修正：Rs=𝐵0𝑉23𝐼5三、实验设备如图1.6所示的RTS-9型双电四探针测试仪，连接探针台、探测仪、计算机之间的信号线。四、实验数据及处理分析1、薄层电阻率在硅片上选取9个点，分别测量其电阻率，实验数据如下：薄圆片(厚度≤4)电阻率晶片标识量程(μA)电流(μA)探针平均间距(mm)直径(mm)直径修正因子厚度(mm)厚度修正因子探针间距修正因子1102.2031254.4180.50.99751测试数据点数X(mm)Y(mm)正向电压(mV)反向电压(mV)电阻率kΩ·cm电导率(s/cm)日期时间106.522.0322.032.2034.54E-0412.2013:41:32206.2522.0622.062.2064.53E-0412.2013:42:0430022.322.32.234.48E-0412.2013:42:384-6.25022.0622.072.2074.53E-0412.2013:43:075-6.5022.0322.032.2034.54E-0412.2013:43:3366.25022.0722.072.2074.53E-0412.2013:44:0070-6.2522.0722.072.2074.53E-0412.2013:44:2386.5022.0222.012.2024.54E-0412.2013:45:0190-6.522.0222.022.2024.54E-0412.2013:45:216分析数据(电阻率)最大最小平均最大百分变化径向不均匀度平均百分变化2.232.2022.20741.27%1.26%经过计算，ρ̿=2.2074kΩ·cm最大值ρmax=2.23kΩ·cm最小值ρmin=2.202kΩ·cm最大百分变化=1.27%电阻率波动图为单晶断面电阻率不均匀度E的计算2.22.2052.212.2152.222.2252.232.2350246810电阻率波动图7E=∆𝜌𝜌×100%=𝜌𝑚𝑎𝑥−𝜌𝑚𝑖𝑛12(𝜌𝑚𝑎𝑥+𝜌𝑚𝑖𝑛)×100%计算可得E=1.26%2、方块电阻在硅片上选取9个点，分别测量其电阻率，实验数据如下：薄层方块电阻晶片标识量程(μA)电流(μA)探针平均间距(mm)直径(mm)直径修正因子厚度(mm)厚度修正因子探针间距修正因子1104.407125测试数据点数X(mm)Y(mm)正向电压(mV)反向电压(mV)电阻kΩ/□电导率(s/cm)日期时间10-6.544.0744.0744.0713:51:3120-6.2544.1244.1244.1213:54:4930044.5944.5844.5913:55:41406.2544.1444.1444.1413:56:28506.544.0744.0744.0713:57:196-6.25044.1244.1344.1313:58:117-6.5044.0744.0744.0713:58:5886.25044.1344.1344.1313:59:3796.5044.0744.0644.0714:00:13分析数据(方块电阻)最大最小平均最大百分变化径向不均匀度平均百分变化44.5944.0744.1541.18%1.17%8经过计算，R̿=44.154kΩ/□最大值Rmax=44.59kΩ/□最小值Rmin=44.07kΩ/□最大百分变化=1.18%方块电阻波动图为单晶断面方块电阻不均匀度E的计算E=∆𝑅𝑅×100%=𝑅𝑚𝑎𝑥−𝑅𝑚𝑖𝑛12(𝑅𝑚𝑎𝑥+𝑅𝑚𝑖𝑛)×100%4444.144.244.344.444.544.644.70246810方块电阻波动图9计算可得E=1.17%分析：实验过程中发现，有一个点的实验数据明显与其他数据不符，可能是硅片本身收到污染导致。五、思考题1、为什么要用四探针测量？四探针法,两根探针输入测量电流,另外两根探针测量电压分布。实验结果更加准确，减少接触电阻的干扰。2、如果只用两根针既做电流探针又做电压探针，这样是否能够对样品进行较为准确的测量？为什么？不能进行较为准确的测量。其一、接触电阻的影响严重。探针与半导体接触产生一定厚度的耗尽层，耗尽层是高阻的。另外探针和半导体之间不像与金属之间一样很好的接触,还会产生一个额外的电阻,称为扩展电阻，两者都是接触电阻，通常都很大.半导体的实际电阻相对于它们越小,测量结果就越不准确。其二、存在少子电注入。六、实验结论通过本实验我们明白了四探针测量薄层电阻率和其方块电阻的原理，并且通过分析了解到了四探针相比于两探针的优势。在实验过程中，通过亲手操作，发现了一些奇特的现象，比如说某个点的电阻率明显高于其他点，我们分析可能是由表面有杂质影响产生的。七、建议无10实验二半导体霍尔系数和电导率测量一、实验目的了解霍尔效应的基本原理，测量霍尔元件不等位电势，验证励磁电流ICM及霍尔控制电流ICH与霍尔系数的线性关系，判定霍尔元件的类型，计算霍尔元件的霍尔系数、载流子浓度等。二、实验原理霍尔元件的作用如图2.1所示，若电流I流过厚度为d的半导体薄片，且磁场B垂直作用于该半导体，则电子流的方向将由于洛伦兹力作用而发生改变，在薄片两个横向截面之间产生电势差，这种现象称为霍尔效应。在与电流I，磁场B垂直的方向产生的电势差称为霍尔电势差，通常用VH表示，其表达式为式中，KH称为霍尔元件的灵敏度；RH是由半导体本身电子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数；B为磁感应强度（单位特斯拉为电流强度（单位安培）；I为电流强度。理论上霍尔元件在无磁场作用时，VH=0，但实际情况测得数值并不为零，这是半导体材料结晶不均匀、副效应以及各电极不对称等引起的电势差称为剩余电压。11三、实验设备如图2.2，霍尔效应试验箱接线方式如图2.3四、实验数据及处理分析1、当IM=400mA不变时，改变ICH，得到11组实验数据ICH(mA)V1V2V3V4VH173.6-74.2-73.974.3741.5110.2-111.2-110.1111.3110.72146.2-147.2-147.5147.11472.5183.2-184.4-184.4184.5184.1253219.7-221.7-221.4221.4221.053.5256.2-258.6-258.3258.2257.8254292.6-295.4-294.6294.3294.2254.5329.5-332.1-331.9331.5331.255365.4-369.5-368.6368.2367.9255.5402.4-407.4-405.5405.4405.1756438.5-442.5-441.8442.3441.275122、当ICH=6mA不变时，改变IM，得到11组实验数据IM(mA)V1V2V3V4VH5060.1-59.1-58.958.859.225100115.9-114.2-112.8113.9114.2200225.3-223.4-222.3223.1223.525300336.2-331.3-332.9331.1332.875400445.7-441.9-439.9441.6442.275500555.7-547.4-549.5547.2549.95600663.4-657.9-655.1657.5658.475700769.1-758.3-761.5758.2761.775800870.9-865.2-862.1865.3865.875900967.9-960.8-962.3960.7962.92510001057.3-1058.2-1056.41057.91057.453、根据IM=400mA不变时，做出图像y=0.0137x-0.0075012345670100200300400500V1y=-0.0135x-0.000701234567-500-400-300-200-1000V2134、处理数据真空磁导率μ0=4πx107磁场强度B=μ0𝑁𝐼0𝐿1+𝐿2μ≈0.372𝑇斜率K=𝐼𝐶𝐻𝑉，K1=0.0137、K2=0.0135、K3=0.0136、K4=0.0136霍尔元件厚度d=2x10-4m点电荷q=1.6x10-19因此可求得𝑅𝐻=𝑉𝐻𝑑𝐼𝐵=𝑑𝐾𝐵=3.95×10−2，此半导体为p型半导体。因为𝑅𝐻=1𝑝𝑞，所以载流子浓度𝑝=1𝑅𝐻𝑞=1.58×1020𝑚−3y=-0.0136x-0.001401234567-500-400-300-200-1000V3y=0.0136x-0.0072012345