半导体物理实验指导1

试验一 单晶硅少子寿命测试一．试验目的1．了解半导体非平衡少子寿命的概念和重要性。

2．掌握高频光电导衰减法测量寿命的基本原理。

3．学会“DSY-Ⅱ硅单晶寿命仪”的使用。

二．实验原理1．非平衡载流子的注入我们知道，处于热平衡状态的半导体，在一定的温度下，载流子浓度使一定的。

这种处于平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。

对非简并半导体来说，有20exp()g o o c v i E n p N N n k T=-=如果对半导体施加外界作用（光注入或者电注入），破坏热平衡条件，则半导体处于非平衡状态，其载流子浓度不再是o n 、o p ，而是存在过剩载流子n ∆、p ∆，称为非平衡载流子。

当外界作用消失后，注入的非平衡载流子不能一直存在下去，最后，载流子浓度恢复导平衡时的值，半导体又回到平衡态，这个过程即是非平衡载流子的复合。

但非平衡载流子不是立刻全部消失，而有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长，有的短。

非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用τ表示。

由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的更重要，因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。

假定一束光在n 型半导体内部均匀地产生非平衡载流子n ∆、p ∆，且n p ∆=∆。

在t ＝0时，突然光照停止，p ∆将随时间变化。

单位时间内非平衡载流子浓度的减少应为()d p t dt∆，它是由复合引起的，因此应当等于非平衡载流子的复合率。

即()()d p t p t dtτ∆∆=-。

小住入时，τ为恒量，与()p t ∆无关，()tp t Ceτ-∴∆=。

设t ＝0时，0(0)()p p ∆=∆，则0()C p =∆， 0()()tp t p eτ-∴∆=∆。

这就是非平衡载流子浓度随渐渐按指数衰减的规律。

利用上式可求出非平衡载流子平均生存时间t 就是τ。

()/()/ttt td p t d p t tedt dedt τττ--∞∞∞∞=∆∆==⎰⎰⎰⎰所以寿命标志着非平衡载流子浓度减少导原值1/e 所经历的时间。

寿命不同，非平衡载流子衰减的快慢不同，寿命越短，衰减越快。

2．高频光电导衰减法光注入必然导致半导体电导率的增大，引起附加电导率。

()n p n p nq pq pq σμμμμ∆=∆+∆=∆+。

实际上，并不是光生电子河光生空穴都对光电导有贡献。

在复合消失前，只有其中一种光生载流子（一般是多数载流子）有较长时间存在于自由状态，而另一种往往被一些能级束缚。

这样n p ∆>>∆或p n ∆>>∆。

附加电导率应为：0n nq σμ∆=∆或0p pq σμ∆=∆。

可利用图示装置观察。

图中，电阻R 比半导体电阻r 大很多，以保证通过半导体的电流I 恒定。

半导体上电压降V Ir =。

设平衡时半导体电导率为0σ，光照引起的附加电导率为σ∆， 小注入时，00σσσ+∆≈∴电阻率的改变20011σρσσσ∆∆=-=-∴电阻的改变2l lr ss ρσσσ∆=∆=-∆∝∆∴电压降的改变V I r p σ∆=∆∝∆∝∆0tV eτ-=∆。

则，可从示波器观察到半导体上电压降的变化，以检验非 平衡载流子的注入。

并且，可根据电压降随时间衰减的曲 线，确定少子寿命。

三．DSY-Ⅱ硅单晶寿命仪的使用1．仪器工作原理仪器的简单工作原理可以从方框图中看出， 高频源提供的高频电流流经被测样品，当 红外光源的脉冲光照射样品时，单晶体内 即产生光生载流子，使样品产生附加光电 导，样品电阻下降，由于高频员为恒压输 出 ，因此，流过样品的高频电流幅值增加I ∆；光照消失后，I ∆便逐渐衰退，其衰退速度取决于光生非平衡载流子在晶体内 存在的平均时间（即寿命τ）。

在小注入下 ，当样品光照区内复合是主要因素是，I ∆ 按指数规律衰减，在取样器上产生的电压 也变化V ∆，也按同样的规律变化。

即：0tV V eτ-∆=∆。

此调幅高频信号经检波器解调河高频滤波，再经宽频放大器放大后输入到脉冲示波器，再示波器上就显示出一条如图指数衰减曲线，衰减的时间常数τ就是要测的寿命值。

2．面板介绍KD：开关及指示灯K：制脉冲发生电路电源通/断KW：外光远主电源的电压调整电位器（顺时针为调高）CZ：信号输出高频插座M1：红外光源主电源电压表（指示红外发光管工作电压大小）M2：磁环取样检波电压表（指示输出信号大小）四．实验内容及步骤1．接通电源线及用高频连线将CZ与示波器Y输入端接通，开通示波器。

2．将清洁处理后的样品置于电极上，可在电极上涂抹点水，以提高灵敏度。

如样品太轻，可在单晶上端压上重物，以改善接触。

3．开启总电源KD，预热15分钟，按下K接通脉冲电路电源。

旋转KW，适当调高电压。

4．调整示波器电平及释抑时间，同步调整Y轴衰减、X轴扫描速度及曲线的上下左右位置，使仪器输出的指数衰减光电导信号波形稳定，尽量与标准指数曲线吻合。

5．如果光电导信号衰减波形部分偏离指数曲线，应作如下处理：（1）如波形初始部分衰减较快，则用波形较后部分测量。

（2）如波形头部出现平顶现象，说明信号太强，应减弱光强，在小信号下进行测量。

（3）为保证测试准确性，满足小注入条件，即在可读数前提下，示波器尽量使用大的倍率，光远电压尽量地调小。

6．关机时，先将开关K按起。

五．实验报告1．观察非平衡载流子随时间的衰减，绘出衰减曲线2．确定非平衡载流子的寿命。

六．思考题强注入情况下，τ还是定值吗？这个时候的p∆的曲线方程？实验二 半导体方块电阻的测量一．试验目的1．掌握方块电阻的概念和意义。

2．掌握四探针法测量方块电阻的原理。

3．学会操作SDY —4型四探针测试仪。

二．实验原理1．方块电阻对任意一块均匀的薄层半导体，厚w ，宽d ，长l ， 则电阻为l R d wρ=⋅当l ＝d 时，表面成方块，它的电阻称为方块电阻， 记为R wρ=□，单位为Ω□。

设电流为I ，则l R R d=□。

对于一扩散层，结深为j x ，宽d ，长l ，则jl R d x ρ=⋅。

定义l ＝d 时，为扩散层的方块电阻， 1jjR x x ρσ==□，这里的ρ、σ均为平均电阻率和平均电导率。

若原衬底的杂质浓度为()B N x ，扩散层杂质浓度分布为()N x ， 则有效杂质浓度分布为()()()eff B N x N x N x =-。

在j x x =处，()eff N x 0=。

又假定杂质全部电离，则载流子浓度也是()eff N x 。

∴扩散层的电导率分布为1()()()eff x N x q x σμρ==∴011()()j j x x eff jjx dx N x q dx x x σσμ==⎰⎰。

∴若μ为常数，则01()j x eff R q N x dxμ=⎰□。

其中0()jx eff N x dx ⎰表示扩散层的有效杂质总量。

当衬底的原有杂质浓度很低时，有()()eff N x N x ≈。

∴()()jjx x eff N x dx N x dx Q ==⎰⎰（单位面积的扩散杂志总量）∴有1R q Qμ≈□。

2．四探针法测扩散层的方块电阻将四根排成一条直线的探针以一定的压力垂直地压在被测 样品表面上，在1、4探针间通过电流I （mA ），2、3探针 间就产生一定的电压V(mV)。

（如图） 按下列公式计算样品的方块电阻：()()VWDR F F Fsp I S S=⨯⨯⨯□ Ω□其中，D:样品直径；S ：平均探针间距；Fsp ：探针修正系数；F(W/S)：样品厚度修正系数；F(D/S)：样品直径修正系数；I ：1、4探针流过的电流值； V ：2、3探针间取出的电压值。

三．SDY —4型四探针测试仪的使用 面板介绍：K 7：电流换向按键K 6：测量/电流方式选择按键（开机时自动在电流位） K 5：/R ρ□测量选择按键（开机时自动设置在R □） K 4、K 3、K 2、K 1：测量电流量程选择按键 W1：电流粗调电位器 W2：电流细调电位器 L ：主机数字及状态显示器 四．实验内容及步骤1．开启主机电源，预热5分钟。

2．估计所测样品的方块电阻范围，按下表选择电流量程。

方块电阻（Ω□）电流量程（mA ） <2.5 100 2.0~25 10 20~2501>200 0.1如无法估计时 ，一般先选择0.1mA 量程进行测试，再估计。

3．放置样品，压下探针，使样品接通电流。

从显示器上读出电流数值。

调节电位器，即可得到所需的测试电流值。

测试点流选取：()()WDI F F Fsp S S=⨯⨯,计算出I=A.BCD 。

调整电流后，按K 6键选择测量/R ρ□，按K 5选择R □，则可以读出所测样品的方块电阻。

五．实验报告样品的方块电阻值。

六，思考题和扩展电阻进行对比。

试验三 半导体电阻率的测量一．试验目的1．掌握电阻率的概念和意义。

2．掌握四探针法测量电阻率的原理。

3．熟悉SDY —4型四探针测试仪的操作。

二．实验原理 1． 电阻率对任意薄层半导体，有R wρ=□，其中ρ为半导体的电阻率，单位为cm Ω⋅。

有1ρσ=，σ即半导体的电导率，单位为/S cm 。

有n p nq pq σμμ=+。

∴1n pnq pq ρμμ=+。

电阻率取决于载流子浓度和载流子迁移率。

其中，载流子在半导体中运动受到电离杂质、晶格振动（声学波散射、光学波散射）散射。

有1111i s oμμμμ=++。

（i μ、s μ、o μ分别表示只有一种散射机制（电离杂质、声学波、光学波）存在时的迁移率。

）迁移率与杂质浓度和温度有关，同时，载流子浓度也与杂质浓度和温度密切相关。

所以电阻率随杂志浓度和温度而异。

轻掺杂时，电阻率与杂质浓度成简单的反比关系；杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线。

温度较低时，电阻率随温度升高而下降；室温下，电阻率随温度升高而增大；高温时，电阻率随温度升高而急剧下降。

2．四探针法测电阻率将四根排成一条直线的探针以一定的压力垂直地压在被测 样品表面上，在1、4探针间通过电流I （mA ），2、3探针 间就产生一定的电压V(mV)。

（如图） 按下列公式计算样品的方块电阻：()()VWDF F W Fsp ISSρ=⨯⨯⨯⨯ cm Ω⋅其中，D:样品直径；S ：平均探针间距；W ：样品厚度；Fsp ：探针修正系数；F(W/S)：样品厚度修正系数；F(D/S)：样品直径修正系数；I ：1、4探针流过的电流值； V ：2、3探针间取出的电压值。

三．SDY —4型四探针测试仪的使用 面板介绍：K 7：电流换向按键K 6：测量/电流方式选择按键（开机时自动在电流位） K 5：/R ρ□测量选择按键（开机时自动设置在R □） K 4、K 3、K 2、K 1：测量电流量程选择按键 W1：电流粗调电位器 W2：电流细调电位器 L ：主机数字及状态显示器 四．实验内容及步骤1．开启主机电源，预热5分钟。