北京工业大学半导体物理7个实验预习经典案例.pptx

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;二、实验设备及其在本实验中的作用;三、实验原理;取r为无穷远处的电位为零，则 所以 上式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为ｒ的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流源对距离ｒ处的点的电势的贡献。 对于图1.2所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4流出，则可将1和4探针认为是点电流源，由(1.6)式可知，2和3探针的电位为： ;2、3探针的电位差为： 由此可得样品的电阻率为 上式就是利用直流四探针法测量电阻率的普遍公式。只需测出流过1、4探针的电流I以及2、3 探针间的电位差V23，代入四根探针的间距，就可以求出该样品的电阻率ρ。 实际测量中，最常用的是直线型四探针，即四根探针的针尖位于同一直线上，并且间距相等，设r12=r23=r34=S，则有： ;需要指出的是：这一公式是在半无限大样品的基础上导出的，实用中必需满足样品厚度及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距，这样才能使该式具有足够的精确度。如果被测样品不是半无穷大，而是厚度，横向尺寸一定，这时利用四探针法测量电阻率时，就不能直接采用公式(1.9),进一步的分析表明，在四探针法中只要对公式引入适当的修正系数B0即可，此时： B0的数值，与样品的尺寸及所处的条件有关。为便于查找，已列表格，见表1、2。;2.2扩散层的薄层电阻 半导体工艺中普遍采用四探针法测量扩散层的薄层电阻，由于反向pn结的隔离作用，扩散层下的衬底可视为绝缘层，对于扩散层厚度（即结深Xj）远小于探针间距S，而横向尺寸无限大的样品，则薄层电阻率为： 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，在电流方向所呈现的电阻，见图1.5。所以 因此，上上式变为 ; 实际的扩散片尺寸一般不很大，并且实际的扩散片又有单面扩散与双面扩散之分，因此，需要对上式进行修正，修正后的公式为（式中B0为修正系数） ;四、实验步骤;4.2 测量阶段 图1.6打开???试程序示意图 (1)开机：按下测试仪的电源开关；打开测试程序：双击桌面四探针测试程序图标，点选“确定”按钮，程序运行如图1.6； (2)打开“四探针实验.mdb”文件，程序运行如图1.7； 图1.7程序运行示意图1;选定“001”，然后单击“选定数据表”，即可进入测试程序的参数选择界面，或者新建数据表，程序运行如图1.8； 图1.8程序运行示意图2;(3)测量样品： a．选择参数一栏按上图填写； b．输入参数一栏根据你所要测量的片子的厚度填写片厚； c．打星号的几项任意填写 d．点击测量控制一栏的“测试测量”即可测量，自动弹出测量结果，如图1.9所示： 图1.9程序运行示意图2 ;(4)测量中出现的问题的说明：在报警区如果所有的指示灯都为绿色，即可测出结果；下面对几种经常出现的问题给予细致的解释： a．恒流输出错误： 处理方法：①调整待测片子的位置：点击探针上升、下降即可； ②将“恒流源”改为0.1mA。 b．结果精度不够请重新选择参数，处理方法：调整恒流源和放大倍数大小。 图1.10程序运行示意图3 c．保存记录时出现的请您登录画面，处理方法：菜单-系统管理-用户登录界面，点击“确定”即可。;五、实验数据的记录; ;五、实验数据的记录;实验二半导体霍尔系数和电导率测量;二实验设备及其在本实验中作用;三、实验原理 霍尔元件的作用如图 ，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）；I 为电流强度（单位安培）。 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。 实验用国产霍尔元件为硅，N 型半导体材料，晶片尺寸长 L× 宽 b×厚 d=3.6×1.8×0.22μm，实验时霍尔额定工作电流 10mA，不宜长时间超过额定电流工作。1、3 端为电流输人，2、4 端为电压输出，在探头印板上霍尔元件 4 个角分别接 470Ω的限流保护电阻，在测量霍尔片的电导率，确定材料的载流子浓度和迁移率等实验数据处理时予以考虑。 ;四实验步骤 1．断开励磁线圈电流，调节霍尔控制电流 ICH=10mA，测量霍尔元件不等位电