第一章半导体常规电学参数测试讲述介绍.ppt

第一章硅单晶常规电学参数的测试,1.1半导体硅单晶导电类型的测量1.2半导体硅单晶电阻率的测量1.3非平衡少数载流子寿命的测量,1.1半导体硅单晶导电型号的测量,1、N型半导体（施主掺杂）2、P型半导体(受主掺杂）,多数载流子为空穴，少数载流子为自由电子。,多数载流子为电子，少数载流子为空穴。,一、根据硅单晶参杂的元素不同分类：,二、导电类型的测量方法,温差电动势法,整流效应法,冷热探笔法,冷探针法,三探针法,四探针法,单探针点接触整流法,三、冷热探笔法,利用冷热探笔与半导体样品接触，在与冷热探笔接触点之间产生电势差，如两根探笔之间接上检流计构成回路，产生一温差电流，根据温差电流的方向判断样品的导电类型。,冷热探笔法测导电类型,1、原理：如图所示,2、温差电动势、及电流的产生：,（a）N型半导体,E,（b）P型半导体,E,3、导电类型的判定,（1）检流计指针偏转（STY-1）,指针向正方偏转被测样品为P型;指针向负方向偏转被测样品为N型。,判断方式：,冷探笔,热探笔,电源开关,N型旋钮,P型旋钮,加热指示灯,保温指示灯,（2）液晶显示屏显示N或P（STY-2),STY-2仪器的优点,1、采用第四代集成电路设计、生产。2、自动恒温的热探笔。3、由液晶器件直接发显示N、P型。4、操作方便、测试直观、快速、准确。,1）插好背板上的电源线，并与220V插座相接；将热笔、冷笔与面板上4芯、3芯插座相接。2）打开仪器面板左下角的电源开关，电源指示灯及热笔加热灯亮。10分钟左右热笔达到工作温度时，保温（绿）灯亮，即可进行型号测量。热探笔随后自动进入保温加热保温循环，温度保持在40-60（国标及国际标准规定的温度）。3）先将热笔在被测单晶面上放稳，后将冷笔点压在单晶上，液晶显示器即显示型号（N或P）。,使用方法,4）测量电阻率较高的单晶时，请将N型调零电位器P型调零电位器调近临界点（逆时针旋转），以便提高仪器的测量灵敏度。5）在P型、N型显示不稳定时，以多次能重复的测量结果为准。6）测量时握笔的手不要与被测单晶接触，以免人体感应影响测量结果。,如图所示，在样品上压上三个探针，针距在0.15-1.5mm范围。在探针1和探针2之间接上交流电源，在探针2和探针3之间接上检流计。根据检流计的指针偏转的方向来判断晶体的导电类型。,四、三探针法,测试原理：以N型半导体为例，如图所示：,得到外加电压和u2u2的波形图,如为P型材料，则同理分析，电压u2u2有负的直流分量，在探针2,3的电路中，电流由23,得到直流分量u2u20。把作为探针2,3电路的电动势，电流有32。如下图所示,STY-3-热探笔及整流导电类型测试方法设计的导电类型鉴别仪,五、冷热探笔法和三探针法的测准因素分析1、冷热探笔法的测量范围：1000.cm以下，三探针法为1-1000.cm。2、表面要求：无反型层、无氧化层，清洁无污；对表面进行喷砂或研磨处理；（不要用未处理的表面或腐蚀、抛光的表面)3、用冷热探笔测量时，保证热探笔不能太高（40-60），并不断交换冷热探笔的位置（欧姆接触，探笔触头60，In或Pb）。4、三探针法：探针接触压力小，探针接触半径不大于50m，。5、避免电磁场的干扰。,1.2半导体硅单晶电阻率的测量,一、半导体材料的电阻率与载流子浓度电阻率是荷电载体流经材料时受到阻碍的一种量度。对于半导体材料，电阻率反映了补偿后的杂质浓度。一般而言，电阻率是杂质浓度差的函数。以P型半导体为例：,式中-NA为受主杂质浓度，ND为施主杂质浓度p为空穴迁移率，q为电子电荷,二、电阻率的测试方法按照测量仪器分类：1、接触法：2、无接触法：,适用于测量硅单晶切、磨等硅片的电阻率,两探针法,四探针法,扩展电阻法,范德堡法,测量硅抛光、外延片的电阻率,C-V法,涡旋电流法,三、两种典型的测量方法1、两探针法（1）一般金属测试电阻率：,如果用以上装置来测量半导体的电阻率，由于导线与样品之间存在很大的接触电阻，其有效电路图如图所示：,（2）两探针法电阻率的基本原理如图所示，在样品两端通以电流，并在样品的电流回路上串联一个标准电阻Rs，利用高阻抗输入的电压表或电位差计测量电阻上的电压降Vs，计算出流经半导体样品中的电流：,两探针法测试半导体材料电阻率示意图,然后依靠两个靠弹簧压紧的探针在半导体样品的长度测量A、B两点的电压降VT,并测量出该两点之间的距离L。因此，可得样品的电阻率：,电位差计测量两探针之间的电压降VT，其有效电路如图所示：,两探针之间的有效电路,由上图可得且有因此电位差计测得的电压UT为：用电位差计测量电压降：当电位差计处于平衡时，流经电位差计被测电路线电流为0，即所以有,（3）两探针法测试仪器（kDY-2）,1）结构：如图所示,电流表,电压表,2）主要参数可测硅晶体电阻率：0.005-50000cm可测硅棒尺寸：最大长度300mm；直径20mm探针针距：1.59mm；探针直径0.8mm探针材料：硬质合金（WC）电阻测量误差：0.3%3）特点a、测试范围广。b、测试精度高。c、即可测单晶硅，也可测多晶硅（硅芯测试）。d、要求样品形状规则。e、需焊接电极。,（4）两探针法测准条件：a、探针头的接触半径保持在25m；b、样品表面经喷砂或研磨处理；c、通电流的两端面接触为欧姆接触，用镀镍或镀铜或超声波焊接；d、样品电流不易过大，E1V/cm,测量低阻单晶时注意电流不能过大，避免热效应。（样品的电阻率会随着温度的升高而升高）,2、四探针法（1）四探针法测电阻率的示意图和计算公式如图所示，将距离为1mm的四根探针压在样品上，并对外面两根探针通以恒流电流，在中间两根探针连接电位差计测量其电压降，然后根据以下公式进行计算：C-四探针的探针系数,（2）四探针法测电阻率的基本原理假设半导体样品为半无穷大，且在此平面上有一点电流源，如图所示，则在以点电流源为球心的任一半径（r）的半球面上，任一点的电流密度相等为：,式中，I为点电流源的强度，是半径为r的半球等位面的面积。,由于P点的电流密度与该点的电场强度E存在以下关系：因此，由以上两式得设无穷远处电位为0（电流流入半导体），则P点处的电位可以表示为,如图所示，四个探针位于样品中央，如果电流从探针1流入，探针4流出，则可以把探针1和4认为是两个点电流源。,则，根据叠加原理及以上半球面的电位公式得到探针2,3的电位分别为因此，探针2,3之间的电位差为由上式可得样品的电阻率为,若四个探针在同一直线上，间距分别为s1,s2,s3如图所示，则有若s1=s2=s3=s,则有,由以上两公式以及公式可得探针系数为,实际测量中为了直接读数，一般设置电流的数值等于探针系数的数值，如探针间距为S=1mm,则C=2S=0.628cm,若调节恒流I=0.628mA，则由，2,3探针直接读出的数值即为样品的电阻率。,（3）四探针测试仪器（KDY-1A),电流、电压数字表,电流量程:1mA/10mA,电阻/电阻率,测试/校准,电流调节旋钮（微调）,电流调节旋钮（粗调）,使用方法：1）打开测试仪电源开关，指示灯。2）将样品放在放在测试平台上，调节上下位置，使与探针样品接触松紧适度。3）先将电流换档置“1mA”档,将/R置于“”档，将校准/测量置于“校准”档。调节电流（S1mm）：电流换档置“1mA”档时，调节数值为62.8；电流换档置“10mA”档时，调节数值为6.28.4）将校准/测量置于“测量”档，进行读数。5在距表面边缘4倍针距内分别测量5组数据，取平均值。,主要参数（1）可测量电阻率：0.01199.9.cm。可测方块电阻：0.11999/口当被测材料电阻率200.cm数字表显示0.00。（2）恒流源：输出电流：DC0.1mA10mA分两档1mA量程：0.11mA连续可调10mA量程：1mA10mA连续可调,(4)四探针法测量电阻的侧准条件和测试工艺要求：1）样品表面a)为了增大表面复合，降低少子寿命，从而减小少子注入的影响，试样测量表面一般要求经过粗砂研磨或喷砂处理。b)要求试样表面具有较高的平整度，且样品厚度以及任一探针距样品边缘的距离必须大于4倍针距，以满足近似无穷大的测试条件。c)各测试点厚度与中心厚度的偏差不应大于1%。,2）测试探针a）选择合适的材料作探针，目前一般使用钨丝、碳化钨等材料。b）要求探针的间距不宜过大，要保证测试区内电阻率均匀，因此一般为1-2mm.探针要在同一直线上。c）对探针与样品之间接触要求有一定的接触压力和接触半径，以减小少子注入的影响，一般选取压力1.75-4N，接触半径小于50s,且每次测量压力保持一致，确保测量的重复性和准确性。d)探针的游移度保证小于2%,确保测量的重复性和准确性。,3）测试电流在测量过程中，通过样品的电流从两方面影响电阻率：a）少子注入并被电场扫到2,3探针附近，使电阻率减小；b）电流过大，使样品温度提高，样品的晶格散射作用加强，导致电阻率会提高。因此，要求电流尽量小，以保证在弱电场下进行测试。a）对硅单晶材料，一般选取电场E小于1V/cm.b）若针距为1mm，则2,3探针的电位差不超过100mv.,4）测量区域、边缘修正和厚度修正对于探针而言，如果待测样品完全满足近似半无穷大，测量值可近似真实值。一般当直径方向大于40倍针距，边缘不需修正（F1=1);当样品厚度大于5倍针距时，厚度因子不需修正（F2=1)若不满足以上条件时，则根据四探针仪器的使用手册进行修正。其电阻率的公式为,5)测试环境和温度修正一般来说，四探针测试过程要求测试室的环境恒温、恒湿、避光、无磁、无震。由于半导体材料随温度的变化会发生变化，因此往往需要进行温度系数的修正。一般参考温度为232，如实际温度与参考温度相差太大，则需根据以下公式修正：CT-温度修正系数，与样品的材料、导电类型、掺杂元素有关系（如书中图1-15）（P14),方块电阻的测试,1.方块电阻的定义如图1所示，方形薄片，截面积为A，长、宽、厚分别用L、w、d表示，材料的电阻率为，当电流如图示方向流过时，若L=w，这个薄层的电阻称为方块电阻，一般用R表示，单位为/。,对于杂质均匀分布的样品，若该半导体薄层中杂质均匀分布，则薄层电阻R为：,式中，R=为方块电阻，L/w为长宽比，又称方数。,2、测试原理图2四探针法测量方块电阻如图2所示，当四根金属探针排成一条直线，并以一定压力压在半导体材料上时，在1、4两根探针间通过电流I(mA)，则2、3探针间的电压为V23(mV)。,3、电流的设置,可设置电流为,由公式,F1-直径修正系数F2-厚度修正系数d-样品厚度C-探针系数,四探针方阻电阻率测试仪（KDY-1）,主要参数（1）测量范围：可测电阻率：0.000119000cm可测方块电阻：0.0011900（2）恒流源：输出电流：DC0.001100mA五档连续可调量程：0.0010.01mA0.010.10mA0.101.0mA1.010mA10100mA,多晶：50-55,若60为不合格单晶：40-50,1.3非平衡少数载流子寿命的测量,少数载流子寿命是半导体材料的的一个重要的电学参数，不仅可以表征半导体材料的质量，也是还可以评价器件制造过程中的质量控制，如集成电路器件中的金属玷污程度，并可以研究制造器件性能下降的原因。（如太阳电池的转换效率、晶体管的放大倍数、开关管的开关时间等）,一、少数载流子的寿命1、非平衡载流子的产生（1）平衡载流子浓度：在一定温度下，处于平衡状态的半导体材料的载流子的浓度时一定的。这种处于热平衡状态下的载流子的浓度称为平衡载流子浓度。表达式如下：式中N0和p0分别表示平衡电子浓度和空穴浓度,（2）非平衡载流子如对半导体材料施加外界条件（如光照），破坏了平衡条件，就会偏离热平衡状态，称为非平衡状态。此时载流子浓度就不再是n0和p0，可以比他们多出一部分载流子，这些比平衡状态多出的载流子称为非平衡载流子，其浓度分别用n,p表示。（3）非平衡多数载流子和非平衡少数载流子对于n型半导体，多出来的电子为非平衡多数载流子，多出的空穴为非平衡少数载流子；对于p型半导体，多出来的空穴为非平衡多数载流子，多出的电子为非平衡少数载流子。,（4）非平衡载流子的产生产生非平衡载流子的方式：光照、电注入或其他能量传递方式。如：光照产生非平衡载流子的过程，如图所示：,在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小很多，如n型材料，nn0,pn0,满足这个条件称小注入。但是即使在小注入的条件下，只要pp0,非平衡少数载流子的影响十分显著。因此往往非平衡少数载流子对材料和器件起着重要的、决定性的作用。通常把非平衡少数载流子简称少数载流子或少子。,2、非平衡少数载流子寿命热平衡时，半导体内部的载流子的产生率等于复合率，系统处于平衡状态；有光等外界影响发生时，载流子产生率大于复合率；光等外界因素消除时，复合率大于产生率，并最后趋于平衡。定义：当给半导体材料去掉外界条件（停止光照）时，由于净复合的作用，非平衡载流子会逐渐衰减以致消失，最后载流子浓度恢复到平衡状态时的值。但非平衡载流子不是立刻消失，而是由一个过程，即他们在导带和价带有一定的生存时间。这些非平衡少数载流子在半导体内平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命，简称少子寿命，用表示。,假设N型半导体:非平衡载流子分别为n和p，通常把单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数称非平衡载流子的复合率，p/就是复合率。假定N型半导体在t=0时刻，突然停止光照，p将会随时间变化，单位时间内非平衡少数载流子浓度的减少为-dp(t)/dt，应当等于复合率，即有,小注入时，是一个恒量，上式通解为设t=0,p(t)=p0,则有即非平衡少数载流子寿命的衰减规律成指数衰减，如图所示,非平衡载流子浓度变化衰减曲线,二、少数载流子寿命测试方法及其测试原理,随着半导体材料的应用不断发展，促进了少数载流子寿命测试技术也在不断发展，从早期体材料的接触式测量，逐渐发展到片状材料的无破坏式、无接触式和无污染的在线检测，有利于其在生产中的广泛应用。方法也多种多样。1、测试方法（1）瞬态法或直接法;（2）稳态法或间接法,（1）瞬态法：利用电脉冲或光脉冲的一种方式，从半导体内激发出非平衡载流子，调制了半导体内的电阻，通过测量体电阻或样品两端电压的变化规律直接观察半导体材料中的非平衡少数载流子的衰减过程，从而测量其寿命。（光电导衰退法等）（2）稳态法：利用稳态光照的方法，使半导体材料中非平衡载流子的分布达到稳定状态，然后测量半导体中某些与寿命有关的物理量（如扩散长度）来推算少子的寿命。（扩散长度法、表面光电压法、光磁法等）,三、光电导衰退法1、直流光电导衰退法（1）如图所示为直流光电导衰退法测量少子寿命的装置（如下图所示）,A、样品内的电场强度：,必须满足以下几个条件:,B、RL20R,保证电流I恒定。C、直流电源和RL为可调。D、光照必须在中心部分。,（2）基本原理：如上图所示样品上无光照时，样品内无非平衡载流子，样品两端电压为：若给样品光照，样品中产生了非平衡载流子，引起点导增加，电阻下降，引起样品两端的电压也发生变化。则有则有,设样品在无光照时的电阻率为0，光照后的电导率为，则将上式代入假定在光照不太强的情况下，注入半导体中的非平衡载流子较少，因此样品电导率变化也小，此时满足小注入的条件：,所以有如样品为n型半导体式中，p为激发的非平衡载流子浓度将以上两式代入则有,由上式可知，在满足小注入的条件下，样品两端电压的衰减规律与产生的少子衰减规律相同。,令则有,（3）直流光电导衰退法的优缺点优点：1）测量准确度高2)测量下限比较低（几个s）缺点：1）对样品的尺寸及几何形状有一定要求2）需制备一定要求的欧姆接触。,（4）直流光电导衰退法测试的影响因素：1）电场强度:电场过大时，产生的少子在电场作用下飘移过快，还没来得及复合就被被电场牵引出半导体外，显然测得的少子寿命值偏低。因此有一个“临界电场”确保少子飘移不会引起测试值的偏差，因此满足：2）注入比:(p/n0)a、当小注入时，即p/n01%，则V/V01%,=vb、当大注入时，即p/n01%，则V/V01%,=v（1-V/V0）,3）表面复合的修正当半导体内注入非平衡载流子后，有两个复合中心：体内杂质、缺陷产生的复合中心、表面能级复合中心，使非平衡载流子逐渐衰减。则有要保证测量的准确，表观寿命要大于体寿命的一半，表面复合不能大于体复合。对样品的要求：,a）要求尽量使用较大尺寸的样品测量，减小比表面积b）测量时，使用带有滤光片的贯穿光，光源波长约1.1m,以减少少数载流子的影响,表面复合影响较大时，非平衡载流子的衰减偏离指数曲线，测量的寿命比实际寿命值要短，所以按以上公式进行修正。此时对样品的要求：a）对表面进行研磨或喷砂；b）样品的尺寸和形状：样品越小，即其比表面积越大，表面复合作用的影响也越大,4）光照面积测量时，要求光照射导样品的中央，此时输出信号强度最大。若光照在样品边缘，电极附近的非平衡载流子容易被电场扫到电极上，从而加快非平衡载流子的衰减，导致测试寿命偏低。要求光照限制在1/4正中央面积上。,2、高频光电导衰退法（1）高频光电导衰退法的测试装置和原理基本与直流光电导相同，只是用高频电源代替了直流电源，且此方法用电容耦合的方法，如图所示,（2）测试原理如图所示，为高频光电导衰退法测试的有效电路。当无光照时，高频电磁场（30MHz)的作用，由高频源流经样品，电阻R2的电流：,当样品受到光照时，样品中产生非平衡载流子，其电导率增加，电阻减小，因此样品两端的高频电压下降，因此高频电流的幅值增加。则有当光照停止后，非平衡少数载流子按指数衰减，逐渐复合而消失，直到回到无光照时的状态，此过程中电流是一个调幅波，有,相应匹配电阻R2上的电压也是一个高频调幅波，如图所示：则有,因此，只要满足小注入的条件，R2两端电压成指数衰减，可以代表非平衡少数载流子的衰减规律，所以可以通过电压信号测得寿命值。再通过检波器和旁路电容进行检波滤波，在示波器得到电压的衰减曲线，通过其电压曲线测量少子寿命的大小。,(3)高频光电导衰退法的特点(最广泛的一种测试方法)优点：1）样品无需切割2）测量不必制备欧姆电阻3）依靠电容耦合，样品不易受污染4）测试简单缺点：1）仪器线路复杂，干扰大2）测量寿命下限高(受脉冲余辉的限制）,（4）高频光电导衰退法测试仪（LT-1）,测试仪,示波器,设备配置及参数寿命测试范围：106000s按测量标准对仪器设备的要求，本仪器设备配有：2.1光脉冲发生装置重复频率25次/s脉宽60s光脉冲关断时间5s红外光源波长：1.061.09m（测量硅单晶）脉冲电源：5A20A2.2高频源频率：30MHz低输出阻抗输出功率1W2.3放大器和检波器频率响应：3Hz1MHz2.4配用示波器配用示波器：频带宽度不低于10MHzY轴增益及扫描速度均应连续可调,操作方法:（标准曲线法）1、合上少子寿命测试仪和示波器电源开关，使仪器预热10分钟。2、将清洁处理后的样品置于电极上面，为提高灵敏度，请在电极上涂抹一点自来水。3、打开光电源开关，适当调节电压，粗调扫描速度，使示波器上出现清晰的衰减曲线，且头部略高于坐标点（0，6），衰减曲线的尾部相切于X轴。4、调整示波器相关旋钮（电平，Y轴衰减，微调X轴扫描速度，垂直增益及曲线的上下左右位置等），使仪器输出的指数衰减光电导信号波形尽量标准曲线重合。5、读数并计算=L.S(s扫描速度，LX轴的刻度）,（5）侧准因素的分析1）严格控制在“注入比1%”的范围内。一般取使注入比近似等于V/V。（若样品为高阻时，V/V1%，若为低阻时，V/V0.35%）减少注入比的方法：a）调节氙灯的闪光电压。b）加滤波片。c）加光阑，限制光通量。,2）衰减曲线的初始部分为快速衰减（由于表面复合引起），在测量中要去除。如图所示。a、用滤波片去掉非贯穿光，减小少子；b、读数时要将信号幅度的头部去掉再读数。,3）陷阱效应的影响陷阱效应：由于某种原因，半导体中出现了非平衡载流子，从而造成半导体内部的杂质能级上电子数目增加或者减少，使得杂质具有收容电子或者空穴的作用，就是陷阱效应。一般情况下，这些落入陷阱的非平衡载流子需要一定时间才能释放出来，因此导致少子寿命偏大。使曲线出现“拖尾巴”。如左图所示：,去除陷阱效应的措施：a、样品加底光照，或让光激发的载流子填满陷阱，使陷阱在测试中失去俘获非平衡载流子的能力而消除其影响。b、加热到50-70，让热激发的载流子填满陷阱。,4）衰减曲线“平顶”