半导体物理实验

1、1会计学半导体物理实验半导体物理实验天河二号天河二号iphone5半导体激光器半导体激光器微波器件微波器件微处理器芯片微处理器芯片单晶硅单晶硅砷化镓砷化镓实验实验1 X射线衍射分析晶体结构射线衍射分析晶体结构 半导体材料的制备和晶格结构分析半导体材料的制备和晶格结构分析在整个半导体产业中具有重要的地位。在整个半导体产业中具有重要的地位。X射线衍射方法由于仪器操作方便、无射线衍射方法由于仪器操作方便、无损、快速等优点，成为分析半导体晶格损、快速等优点，成为分析半导体晶格结构最主要的手段。结构最主要的手段。 1.1 实验目的实验目的 通过使用通过使用X射线衍射仪对给定半导体材料进射线衍射仪对给定半

2、导体材料进 行检测和分析行检测和分析 ，掌握物相分析的基本方法。，掌握物相分析的基本方法。实验实验1 X射线衍射分析晶体结构射线衍射分析晶体结构 了解半导体材料晶格结构的基本知识以及了解半导体材料晶格结构的基本知识以及X 射线衍射仪的基本工作原理。射线衍射仪的基本工作原理。 1895年德国物理学家年德国物理学家伦琴伦琴研究阴极研究阴极射线管时，发现一种有穿透力的肉射线管时，发现一种有穿透力的肉眼看不见的射线，称之为眼看不见的射线，称之为X射线（射线（也称伦琴射线）也称伦琴射线） 。 伦琴获伦琴获1901年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。W. C. Rontgen 1912年德国物理学家劳厄发

3、现年德国物理学家劳厄发现X射射线通过晶体时产生衍射现象，证明线通过晶体时产生衍射现象，证明了了X射线的波动性射线的波动性和晶体内部周期和晶体内部周期性的原子点阵结构。性的原子点阵结构。 他的发现揭开了原子理论的一个新他的发现揭开了原子理论的一个新纪元。纪元。M. V. Laue 1912年英国物理学家年英国物理学家布拉格父子布拉格父子利用利用X射线衍射测定了射线衍射测定了NaCl的晶体结构，并的晶体结构，并提出著名的提出著名的布拉格公式布拉格公式。 开创了利用开创了利用X射线分析晶体结构的崭新射线分析晶体结构的崭新时代。时代。W. H. BraggW. L. BraggW. H. BraggW

4、. L. Bragg年 份学 科得奖者内 容1901物理伦琴Wilhelm Conral RontgenX射线的发现1914物理劳埃Max von Laue晶体的X射线衍射亨利.布拉格Henry Bragg劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射线1924物理卡尔.西格班Karl Manne Georg SiegbahnX射线光谱学戴维森Clinton Joseph Davisson汤姆孙George Paget Thomson1954化学鲍林Linus Carl Panling化学键的本质肯德鲁John Charl

5、es Kendrew帕鲁兹Max Ferdinand Perutz1962生理医学Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脱氧核糖核酸DNA测定1964化学Dorothy Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶体测定霍普特曼Herbert Hauptman卡尔Jerome Karle鲁斯卡E.Ruska电子显微镜宾尼希G.Binnig扫描隧道显微镜罗雷尔H.Rohrer布罗克豪斯 B.N.Brockhouse中子谱学沙尔 C.G.Shull中子衍射直接法解析结构1915物理晶体结构的X射线分析1937物理电子衍射19

6、86物理1994物理1962化学蛋白质的结构测定1985化学X射线的产生和性质射线的产生和性质 10-2 1 102 104 106 108 1010 1012 （） 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 （eV）线硬X射线软射线远紫外紫外可见近红外远红外微波超短波短波长波 X射线同射线同射线、紫外线、可见光、红外线以及射线、紫外线、可见光、红外线以及微波一样，都是一种电磁波。微波一样，都是一种电磁波。 可见光：可见光： 39007700 X射线的产生：射线的产生：凡是高速运动的电子流或其它高能带电基本粒子凡是高速运动的电子流或其它高能带电基本粒子射流（如射线）被

7、突然减速时均能产生射流（如射线）被突然减速时均能产生X射线。电射线。电子流产生的子流产生的X射线谱分为两种，一种是射线谱分为两种，一种是连续连续X射线射线谱谱，一种是，一种是特征特征谱谱（原子内层电子跃迁）。（原子内层电子跃迁）。 X射线的产生和性质射线的产生和性质1.2 实验原理实验原理实验实验1 X射线衍射分析晶体结构射线衍射分析晶体结构2dsin =n 布拉格公式布拉格公式AB实验实验1 X射线衍射分析晶体结构射线衍射分析晶体结构 衍射方向衍射方向取决于晶体的对称类型和晶胞参数等取决于晶体的对称类型和晶胞参数等。 衍射强度衍射强度取决于晶胞中原子种类、数量及具体排列取决于晶胞中原子种类、

8、数量及具体排列。 石英晶体石英晶体X射线衍射谱射线衍射谱1020304050607002003004005001002强度强度1.3 实验仪器实验仪器实验实验1 X射线衍射分析晶体结构射线衍射分析晶体结构循环冷循环冷却系统却系统计算机控制计算机控制处理系统处理系统X射线衍射射线衍射仪主机仪主机计算机控制计算机控制处理系统处理系统X射线衍射射线衍射仪主机仪主机X-ray射线管射线管样品台样品台测角仪测角仪X射线探测器射线探测器X射线衍射仪主机由X射线管，测角仪、样品台以及X射线探测器组成。X射线管：铜靶，射线管：铜靶，K线，线，=1.54测角仪：测角仪： X射线衍射仪的核心组成部分射线衍射仪的核

9、心组成部分 样品平面与样品样品平面与样品台转轴重合，样品台台转轴重合，样品台与探测器的支臂共轴与探测器的支臂共轴转动。转动。 为提高入射X射线的光束质量和角度探测精度，在测角仪中设置索拉光阑、发散狭缝、接收狭缝、防散射狭缝等组成。X X射线探测器：掺钛射线探测器：掺钛NaINaI晶体晶体 X射线光子射线光子荧光光子（荧光光子（420nm） 光电子（光阴极）光电子（光阴极） 电脉冲（多级倍增）电脉冲（多级倍增）光电倍增管光电倍增管倍增倍增极极1.4 实验内容和要求实验内容和要求在探测器与入射在探测器与入射X射线方向夹角射线方向夹角 为为 范围内，测量半导体粉末样品的范围内，测量半导体粉末样品的X

10、射线衍射射线衍射谱。谱。从标准样品数据库中查找与测量得到的从标准样品数据库中查找与测量得到的X射射线衍射谱匹配的卡片，分析被测样品的物相线衍射谱匹配的卡片，分析被测样品的物相。计算最强衍射峰对应的晶面间距计算最强衍射峰对应的晶面间距d。实验实验1 X射线衍射分析晶体结构射线衍射分析晶体结构220 80oo1.5 实验步骤实验步骤详见详见“操作说明操作说明”。1.6 注意事项注意事项实验前须预先开启除湿机工作半小时。实验前须预先开启除湿机工作半小时。实验中必须首先开启冷却水。实验中必须首先开启冷却水。实验实验1 X射线衍射分析晶体结构射线衍射分析晶体结构1.7 思考与讨论思考与讨论（1）X射线在

11、晶体中产生衍射的必要条件？射线在晶体中产生衍射的必要条件？（2）X射线衍射能否分析非晶材料的物相？射线衍射能否分析非晶材料的物相？（3）如何测量半导体单晶晶片的）如何测量半导体单晶晶片的X射线衍射射线衍射谱？谱？ 实验实验1 X射线衍射分析晶体结构射线衍射分析晶体结构 半导体材料的电学性能包括电阻率、导电半导体材料的电学性能包括电阻率、导电类型、载流子浓度、迁移率和少子寿命等，与类型、载流子浓度、迁移率和少子寿命等，与晶体结构、杂质浓度、温度等因素密切相关，晶体结构、杂质浓度、温度等因素密切相关，对器件性能有决定性的影响。其中电阻率是最对器件性能有决定性的影响。其中电阻率是最直接、最重要的参数

12、。直接、最重要的参数。实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率2.1 实验目的实验目的 掌握四探针法测量半导体电阻率、薄层掌握四探针法测量半导体电阻率、薄层（方块）电阻的原理和测试方法。（方块）电阻的原理和测试方法。 了解影响半导体电阻率测量的各种因素及了解影响半导体电阻率测量的各种因素及不同几何尺寸样品的修正方法。不同几何尺寸样品的修正方法。相邻原子之间共用电相邻原子之间共用电子对形成共价键子对形成共价键ECEVEAECEVED1/nq 电阻率电阻率的大小决定于半导体载流子浓度的大小决定于半导体载流子浓度n和和载流子迁移率载流子迁移率300K温度下温度下 实验实验2 四探

13、针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率伏安法（欧姆定律）测量电阻率伏安法（欧姆定律）测量电阻率URIISlVlS 金属探针与半导体材料之间形成肖特基接触，金属探针与半导体材料之间形成肖特基接触，从而在界面产生很大的接触电阻，给测量带来极大从而在界面产生很大的接触电阻，给测量带来极大的误差。的误差。实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率四探针法四探针法原理：原理：利用点电流源向样利用点电流源向样品中注入小电流形成等电品中注入小电流形成等电位面，通过检测样品不同位面，通过检测样品不同部位的电位差，并根据理部位的电位差，并根据理论公式精确计算出任意形论公式精确计算出任意形

14、状半导体材料的电阻率。状半导体材料的电阻率。优点：优点：避免对接触电阻进行处理。避免对接触电阻进行处理。2.2 实验原理实验原理实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率点电流源等电位面点电流源等电位面22Ijr2( )( )2IdV rE rjrdr 1( )( )2rIV rE r drrIrP2.2 实验原理实验原理实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率S1S2S3I IV1234四探针法示意图四探针法示意图212322 ()IIVSSS31232 ()2IIVSSS2.2 实验原理实验原理实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻

15、率2312231211112IVVVSSSSSS若四探针在同一平面的同一直线上，且若四探针在同一平面的同一直线上，且 时，时，由上式可得由上式可得 123SSSS = 2VSI这就是直流等间距四探针法测这就是直流等间距四探针法测体电阻率体电阻率的理想公式。的理想公式。(1.1) 探针探针2和探针和探针3之间的电位差之间的电位差2.2 实验原理实验原理 如果样品不是半无限导体，则由探针流入导体的电流会被边如果样品不是半无限导体，则由探针流入导体的电流会被边界表面反射或吸收，结果分别使电压探针处的电位升高或降低。界表面反射或吸收，结果分别使电压探针处的电位升高或降低。 因此，在这种情况下电阻率的测

16、量值高于或低于材料的真实因此，在这种情况下电阻率的测量值高于或低于材料的真实值，称为表观电阻率值，称为表观电阻率 。它与材料真实电阻率。它与材料真实电阻率 的关系为的关系为实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率式中式中 称为称为修正因子修正因子或修正除数。或修正除数。00 =. .C D. .C D(1.2) 2.2 实验原理实验原理实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率2S. .2ln2SC DW对于厚度对于厚度W 的半导体晶片（横向尺寸远大于探针间距）的半导体晶片（横向尺寸远大于探针间距）这就是常用的半导体晶片材料这就是常用的半导体晶片材料电阻率

17、电阻率的测量公式。的测量公式。 = 4.532ln2VVWWII代入式代入式(1.2)得得(1.3) 实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率SlRSW特性：特性：只与电阻率和薄膜厚度有关，与薄膜的尺只与电阻率和薄膜厚度有关，与薄膜的尺寸大小无关。寸大小无关。lWlI 实际工作中需要测量扩散层的实际工作中需要测量扩散层的薄层电阻薄层电阻，又，又称称方块电阻方块电阻，其定义就是表面为正方形的半导体薄，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。层，在电流方向所呈现的电阻。2.2 实验原理实验原理实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率四探针

18、法测量半导体材料薄层电阻四探针法测量半导体材料薄层电阻4.532ln2SVVRWII这就是常用的这就是常用的薄层（方块）电阻薄层（方块）电阻公式，单位为欧姆，通常公式，单位为欧姆，通常用符号用符号/表示。表示。(1.4) 2.3 实验仪器实验仪器探针测试台探针测试台四探针软件测试系统四探针软件测试系统主机主机通讯接口通讯接口控制面板控制面板2.4 实验内容和要求实验内容和要求分别测量给定单晶硅片样品的电阻率和薄层分别测量给定单晶硅片样品的电阻率和薄层（方块）电阻。（方块）电阻。根据硅电阻率与杂质浓度的关系曲线估算所根据硅电阻率与杂质浓度的关系曲线估算所测硅片的掺杂浓度。测硅片的掺杂浓度。 实验

19、实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率2.5 实验步骤实验步骤详见详见“用户手册用户手册”及操作说明。及操作说明。2.6 注意事项注意事项硅片易碎，请勿弯折，轻拿轻放。硅片易碎，请勿弯折，轻拿轻放。电流选择适当，电流选择适当， 太小影响电压检测精度，太太小影响电压检测精度，太大引起发热或非平衡载流子注入。大引起发热或非平衡载流子注入。实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率2.7 思考与讨论思考与讨论（1）分析测量电阻率误差的来源。）分析测量电阻率误差的来源。（2）对于尺寸较小的样品，考虑边缘效应对电）对于尺寸较小的样品，考虑边缘效应对电阻率测量的影响，如

20、何进行修正？阻率测量的影响，如何进行修正？（3）温度、光照等外界条件对电阻率测量的影）温度、光照等外界条件对电阻率测量的影响。响。实验实验2 四探针法测量半导体电阻率四探针法测量半导体电阻率实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验 载流子寿命是表征半导体材料的基载流子寿命是表征半导体材料的基本参数，它直接影响到器件的某些性能本参数，它直接影响到器件的某些性能。准确测量载流子寿命，对于半导体器。准确测量载流子寿命，对于半导体器件制造具有重要意义。件制造具有重要意义。 3.1 实验目的实验目的 了解半导体材料中少数载流子的产生了解半导体材料中少数载流子的产生-复合复合 机理及其对材料特性的

21、影响。机理及其对材料特性的影响。 通过利用通过利用光电导衰退法光电导衰退法测量硅单晶材料的测量硅单晶材料的 少数载流子寿命，加深对少子寿命及其它少数载流子寿命，加深对少子寿命及其它 物理参数关系的理解。物理参数关系的理解。实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验ECEV产生复合ECEV 非平衡载流子：非平衡载流子：受外界因素受外界因素(光照、电注入等光照、电注入等)影响，产生电子影响，产生电子-空穴对，比平衡状态下多出空穴对，比平衡状态下多出来的载流子。来的载流子。h非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的平均生存时间称为载流子寿命载流子寿命。 从理论上可以证明非平衡载流子寿命越高

22、，从理论上可以证明非平衡载流子寿命越高，太阳电池的短路电流越大、开路电压越高。太阳电池的短路电流越大、开路电压越高。ECEVEFpnpnpn结光伏效应示意图结光伏效应示意图3.2 实验原理实验原理实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。用光照使半导体内部产载流子浓度是一定的。用光照使半导体内部产生非平衡载流子的方法称为生非平衡载流子的方法称为非平衡载流子的光非平衡载流子的光注入注入。 实验发现，当一束实验发现，当一束波长较短的光波长较短的光照射到半照射到半导体材料表面时，半导体材料的电导率

23、会发生导体材料表面时，半导体材料的电导率会发生变化，这种现象称为变化，这种现象称为半导体的光电导现象半导体的光电导现象，光，光照前后的电导率之差称为照前后的电导率之差称为光电导光电导。 3.2 实验原理实验原理实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验 光注入时，半导体电导率的变化：光注入时，半导体电导率的变化：pnqpqn q为电子电荷，为电子电荷，p和和n分别为空穴和电子的迁移率。分别为空穴和电子的迁移率。 平衡状态下半导体的电导率为平衡状态下半导体的电导率为000pnqpqnq为电子电荷，为电子电荷，p和和n分别为空穴和电子的迁移率。分别为空穴和电子的迁移率。 3.2 实验原理实验

24、原理实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验 如果在样品上所加的电场很小，以至少数如果在样品上所加的电场很小，以至少数载流子的漂移导电电流可以忽略，而且样品是载流子的漂移导电电流可以忽略，而且样品是均匀的，那么非平衡电子均匀的，那么非平衡电子(n)和空穴和空穴(p)的浓度的浓度相等，于是电导率的变化公式可以简化为相等，于是电导率的变化公式可以简化为 ()pnqp3.2 实验原理实验原理实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验 在满足小注入条件，表面复合可以忽略不计的情在满足小注入条件，表面复合可以忽略不计的情况下，当去掉光照后，少子密度将按指数规律衰减，况下，当去掉光照后，少子

25、密度将按指数规律衰减，对于对于n型半导体材料型半导体材料0( )tp tpe 式中式中 为少子寿命为少子寿命。因此导致电导率的变化。因此导致电导率的变化0()tpnqpe3.3 实验仪器实验仪器示波器示波器光源开关光源开关样品台样品台检波电压检波电压信号输出信号输出光源电压光源电压单晶少子寿命测试仪单晶少子寿命测试仪实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验脉 冲 光 源Si单晶高 频 源取 样 器检波器宽频放大脉冲示波器 h光电导衰退法测量装置示意图光电导衰退法测量装置示意图实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验 当红外光源的脉冲光照射样品时，产生的非平衡当红外光源的脉冲光照

26、射样品时，产生的非平衡光生载流子使样品产生附加光电导，从而导致电阻减光生载流子使样品产生附加光电导，从而导致电阻减小。由于高频源为恒压输出，因此流经样品的高频电小。由于高频源为恒压输出，因此流经样品的高频电流幅值增加流幅值增加 I，光照消失后，光照消失后， I逐渐衰减，其衰减速逐渐衰减，其衰减速度取决于光生载流子的寿命。度取决于光生载流子的寿命。 在小注入条件下，当光照区复合为主要因素时，在小注入条件下，当光照区复合为主要因素时， I将按指数规律衰减，此时取样器上产生的电压变化将按指数规律衰减，此时取样器上产生的电压变化 V也按同样的规律变化，即也按同样的规律变化，即 0tVV e 实验实验3

27、 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验tVV0V0/e0图2-2 指数衰减曲线 调幅高频信号调幅高频信号经检波器解调和高经检波器解调和高频滤波，再经宽频频滤波，再经宽频放大器放大后输入放大器放大后输入到脉冲示波器，在到脉冲示波器，在示波器上可显示如示波器上可显示如图所示的指数衰减图所示的指数衰减曲线，衰减的时间曲线，衰减的时间常数就是欲测的寿常数就是欲测的寿命值。命值。3.4 实验内容和要求实验内容和要求在小注入光强下，进行多次重复测量，计算在小注入光强下，进行多次重复测量，计算出给定样品的少数载流子寿命。出给定样品的少数载流子寿命。观察并记录在不同的光注入条件下，给定样观察并记录在不同的光注入条件下，给定样品的电导率指数衰减曲线，给出定性描述。品的电导率指数衰减曲线，给出定性描述。实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验3.5 实验步骤实验步骤详见详见“用户手册用户手册”及操作说明。及操作说明。3.6 注意事项注意事项可在电极上涂少量水改善电极接触。可在电极上涂少量水改善电极接触。测量样品电阻率的下限为测量样品电阻率的下限为0.3cm。停止使用后，请按起红外光源开关。停止使用后，请按起红外光源开关。实验实验3 载流子寿命测量实验载流子寿命测量实验3.7 思考与讨论思考与讨论（1）试解释不同的光注入条件影响给定样品的）试解释不同的光注入条件影响给定样品的