半导体材料导电类型的测定

实验1半导体材料导电类型的测定1．实验目的通过本实验学习判定半导体单晶材料导电类型的几种方法。2．实验内容用冷热探针法和三探针法测量单晶硅片的导电类型。3．实验原理3.1半导体的导电类型是半导体材料重要的基本参数之一。在半导体器件的生产过程中经常要根据需要采用各种方法来测定单晶材料的导电类型。测定材料导电类型的方法有很多种，这里介绍常用的几种测定导电类型的方法，即冷热探针法、单探针点接触整流法和三探针法。3.1.1冷热探针法冷热探针法是利用半导体的温差电效应来测定半导体的导电类型的。在图1a中，P型半导体主要是靠多数载流子——空穴导电。在P型半导体未加探针之前，空穴均匀分布，半导体中处处都显示出电中性。当半导体两端加上冷热探针后，热端激发的载流子浓度高于冷端的载流子浓度，从而形成了一定的浓度梯度。于是，在浓度梯度的驱使下，热端的空穴就向冷端做扩散运动。随着空穴不断地扩散，在冷端就有空穴的积累，因而带上了正电荷，同时在热端因为空穴的欠缺(即电离受主的出现)而带上了负电荷。上述正负电荷的出现便在半导体内部形成了由冷端指向热端的电场。于是，冷端的电势便高于热端的电势，冷热两端就形成了一定的电势差，这一效应又称为温差电效应，这个电势差又称为温差电势。如果此时在冷热探针之间接入检流计，那么，在外电路上就会形成由冷端指向热端的电流，检流计的指针就会向一个方向偏转。从能带的角度来看，在没有接入探针前，半导体处于热平衡状态，体内温度处处相等，主能带是水平的，费米能级也是水平的。在接入探针以后，由于冷端电势高于热端电势，所以冷端主能带相对于热端主能带向下倾斜，同时由于冷端温度低于热端，故热端的费米能级相对于冷端的费米能级来说，距离价带更远，如图1b所示。如果我们将上述的P型半导体换成N型半导体，则电子做扩散运动，在冷端形成积累。由于电子带有负电荷，所以，冷端电势低于热端电势，在外电路形成的电流从热端指向冷端，检流计向另一方向偏转。同时，冷端的主能带向上倾斜。此时，费米能级如何倾斜，留给读者思考。从上述分析可知，用冷热探针法测定半导体的导电类型，既可以通过电位差计测定冷热两端电势的高低来判断，也可以通过检流计测定外电流的方向来判断。一般冷探针采用不锈钢材料制作，热探针采用金属钨（其上用无感电阻丝加热）制作。冷热探针的尖端做成60o角为妙。3.1.2单探针点接触整流法众所周知，金属和半导体接触可以分为两种情况：欧姆接触和整流接触。单探针点接触整流法的基本原理就是利用金属和半导体接触的整流特性。当金属和半导体接触时，半导体一边的能带发生弯曲，形成多数载流子的势垒，构成界面阻挡层，此时就会出现整流特性。但是，如果所形成的多数载流子的势垒区很窄，载流子就可以依靠隧道效应从势垒底部通过，使整流特性遭到破坏，从而得到欧姆接触特性。图2给出了一种点接触整流法测量半导体导电类型的装置图。图中被测样品是一个P型半导体单晶棒。交流调压器一端接地，并且与半导体的欧姆接触电极相连。另一端（滑动臂）经检流计与钨探针相连，钨探针的尖端与半导体样品实现点接触。为了实现良好的欧姆接触，接触处一般制作成大面积、高复合接触。由于钨探针与P型半导体之间为整流接触，零偏压时半导体一边就已经存在空穴的势垒。正向偏置时，空穴的势垒降低，P型半导体中的多数载流子（空穴）就会流向金属中。但是，由于空穴是我们假想的一种粒子，所以实际上是金属中的电子通过金属探针向半导体中注入，从而形成正向电流。反向偏置时，半导体一边空穴的势垒增高，金属-半导体接触处没有电流（忽略反向漏电流）。图2中如果调压器的交流电源处于正半周，则钨探针为正，半导体为负，从上述分析可知，金属-P型半导体接触处于反向偏置，检流计中没有电流；如果调压器的交流电源处于负半周，则钨探针为负，半导体为正，金属-P型半导体接触处于正向偏置，检流计中有正向电流。如果我们把正半周和负半周的作用叠加起来，那么检流计的指针应该向左偏转。如果被测量的样品不是P型，而是N型，那么，检流计的指针就应该向右边偏转。于是，根据检流计指针偏转的方向就可以判定半导体的导电类型。图3a给出了另一种点接触整流法测量半导体导电类型的装置图。图中P型半导体的下电极做成欧姆接触，上面还是做成钨探针点接触。交流调压器的接地端经一电流取样电阻R与P型半导体的下电极相连，另一端经钨探针与P型半导体实现点接触。示波器的X轴输入采集的是P型半导体上下两端的交流电压信号，Y轴输入采集的是流经半导体和探针接触的电流信号。当交流调压器输出的交流电压处于正半周时，探针为正，欧姆接触为负，金属-P型半导体接触处于反向偏置，流过取样电阻R上的电流为零，Y轴的输入信号也为零，示波器的曲线是水平的；当交流调压器输出的交流电压处于负半周时，探针为负，欧姆接触为正，金属-P型半导体接触处于正向偏置，流过取样电阻R上的电流不为零，Y轴的输入信号也不为零，其输出波形向下倾斜，如图3b所示。如果把P型半导体换成N型半导体，则情况正好相反。调压器输出交流电压处于正半周时，金属-N型半导体接触为正向偏置，取样电阻R上有电流流过，示波器的波形向上倾斜。而处于负半轴时，金属-N型半导体接触为反向偏置，取样电阻R上没有电流流过，Y轴输入信号为零，曲线是水平的。3.1.3三探针法如图4a所示，以N型半导体为例，把三个金属探针分别置于半导体表面1、2、3三个点，针间距大约mm5~5.1。在1和2两个探针之间加入V12的交流电压，在2和3两个探针之间接入一个ΩM1的电阻R和一个检流计G，这便构成了三探针法测量半导体导电型号的实验装置。在这个实验装置中，根据检流计的偏转方向就可以判断半导体的导电类型。由于金属-半导体接触的整流特性，金属-半导体接触可以等效为一个整流二极管。于是，我们很容易得到图4a的等效电路——图4b，这里，r1、r2、r3分别为探针1、2、3与半导体接触处半导体的扩展电阻，D1、D2、D3分别为各探针与半导体接触的等效二极管。探针与半导体的接触电阻实际上等效于势垒电阻和扩展电阻之和。由于在探针与半导体点接触的情况下，电流截面在接触处面积最小，所以体内电压降主要集中在接触点附近的区域内，其大小由接触处的几何形状所决定。在欧姆定律许可的范围内，半导体内的电压降V与由探针流入半导体内的电流I之间有如下关系rIV⋅=式中r为扩展电阻，可以推出，当探针与半导体接触处的形状是半径为0r的半球面时，扩展电阻为002rrπρ=式中，0ρ为半导体的电阻率。为了简化分析，把图4b中的探针1和探针2单独列出来，得到图5。设外加电压1u为如图6a所示的交流正弦电压，由于电路是纯阻性的，所以电流1i与电压1u同相位。众所周知，二极管正向偏置时，其两端等效电阻很小；反向偏置时，其两端等效电阻很大。在图5中，如果1u处于正半周，则μ22,μD1处于正向偏置，D2反向偏置，1122''uu，1u主要降落在D2上；如果1u处于负半周，则D1处于反向偏置，D2正向偏置，2211''uu，1u主要降落在D1上，于是有2222''uu。如果在图4b的电阻R上取出电压信号，那么，就可以通过示波器观察到图6b所示的电压波形'22u。图中，'22u是'22u的电压平均值，且有0'22u。对于P型半导体，经过同样的分析可知'22u的波形正好与图6b的波形上下倒一个方向。根据上述分析，可以把'22u用一个电池的电动势来表示，再与图4b中的33‘支路结合起来，便得到2、3探针的等效电路(见图7)。图中，二极管D3处于反向偏置，其反向偏置电阻是一个很大的值。由图可见，检流计的指针应该向左偏转。对于P型半导体，通过同样的分析可知，指针应该向右偏转。这样，我们用三探针法就可以通过示波器观察波形或者通过检流计的偏转方向来确定半导体的导电类型。4.实验步骤：4.1取三块电阻率各不相同的硅单晶片或外延片，分别测量他们的电阻率，并且作好记录。4.2从冷热探针法、单探针点接触整流法和三探针法中选择合适的方法测量单晶硅片的导电类型，并且分析测量结果的准确性。5．注意事项：在温差电效应中，温差电势随着掺杂浓度的增加而减小，也就是说，电阻率越高，温差电效应越大。尽管温差电效应很大，但电阻率也大，所以温差电流较小，检流计检测的是电流，所以冷热探针法对于低阻样品有较高的灵敏度。但是如果检测的是温差电势的极性，则可以检测较高电阻率的材料。点接触整流法测型号往往不适用于低阻材料，因为金属与低阻材料接触易于形成隧道效应而使整流效应不明显，可能导致欧姆接触。准确判断一个单晶材料的导电类型是非常重要的，它是制作半导体器件的原始依据。每一种测量方法都有一定的电阻率范围，超出这个范围就可能出现测量误差。在测量型号之前，首先应该判断该材料电阻率的大致范围，然后确定采用那一种测量方法。此外，在测量型号时要注意表面效应，防止表面出现反型层，因此，通常需要粗磨表面或打砂处理。半导体表面对外界环境十分敏感，表面如果沾上阴、阳离子，就可能在表面感应出反型层，从而导致测量误差，因此，测量导电型号时不宜用抛光面或腐蚀表面。用点接触法测型号，要注意大面积的欧姆接触，并用力压紧，而构成整流接触的金属探针压力要小，使用薄的软铅皮或软的金镓合金可以得到良好的欧姆接触。半导体表面在周围电磁场的作用下可能出现反型层，影响测量的准确性，因此，测量时最好加以电磁屏蔽。另外，光照会产生光电流，引起光生电动势，这一点也应该引起重视。用冷热探针测量型号时，热笔的温度既不能太高，又不能太低。对于锗材料，由于禁带很窄，冷笔需用液氮致冷（78K）；硅材料禁带较宽，温度也可以高一些（50°上下），但也不能太高（以不出现本征激发为限）。热笔上的氧化物在测量时应予去除，测量时，冷热探针都应压紧，否则会引起测量误差。测量型号时，若发现局部区域测不准，可以用腐蚀方法显示不均匀情况。具体方法是在氢氟酸中加入一滴硝酸（1%）然后将被测单晶放入其中腐蚀20分钟取出，其P区显黑色，N区显白色。6．思考题6.1简述温差电效应产生的原因及其在冷热探针法测量导电类型实验中的应用。6.2单探针点接触整流法测量单晶材料导电类型试验中要注意哪些问题？这个实验用到了半导体的哪些性质？6.3画出P型半导体采用三探针法测量导电类型时示波器所显示的波形图。7．参考文献【1】孙以材，半导体测试技术，冶金工业出版社，1984年10月第一版。【2】黄昆，韩汝琦，半导体物理基础，科学出版社，1979年7月第一版。