實(shí)驗(yàn)一硅的霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率測量

一、目的

掌握測量霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)方法，測出硅的霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率隨溫度變化的

數(shù)據(jù)，確定硅的導(dǎo)電類型。

二、基本原理

一塊寬為a、厚為b的長方形半導(dǎo)體(見圖1)。若在x方向上有均勻的電流h流過，

再Z方向上加均勻磁場B“那么在這塊半導(dǎo)體A、B兩點(diǎn)間(即Y方向上)產(chǎn)生一電位差,

這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在弱磁場情況下，霍耳電場E,的大小與電流密

度Jx和磁場強(qiáng)度民成正比，即

E；=RJxBz

由上式可得

R=E，/JB(1)

R稱為霍耳系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)上直接測量的是霍耳電位差%。因?yàn)椋?/p>

E,=VH/a

Jx=Ix/ab

(1)式可以寫為

R=V?b/IXBZ(2)

如果(2)式中各量所用的單位是％一伏；h—安培；B,一高斯；b一厘米；

R一厘米7庫侖，則應(yīng)該在(2)式中引入單位變換因子10',把它寫成如下形式：

R=(Vnb/IxBz)*108(3)

上式為實(shí)驗(yàn)中實(shí)際應(yīng)用的公式。

因?yàn)殡娮雍涂昭ǖ钠七\(yùn)動是相反的，但是電荷符號也是相反的，磁場對它們的偏

轉(zhuǎn)作用力方向相同。結(jié)果在邊界上積累的電荷兩種情況下相反，因此霍耳電場和電勢差

是相反的。照這個(gè)道理可以區(qū)別電子性導(dǎo)電(n型)和空穴導(dǎo)電(P型)。當(dāng)EDO,為p型,

Ev<0,為n型。

在霍耳效應(yīng)的簡單理論中，對電子和空穴混合導(dǎo)電的半導(dǎo)體，霍耳系數(shù)為：

J

R=(puP"-nu)/((pu?+ny?)e)⑷

對n型半導(dǎo)體可簡化為：R=-1/ne(5)

對P型半導(dǎo)體可筒化為：R=1/pe(6)

(4)、(5)、(6)各式中，n和p分別表示電子和空穴濃度，口。和un分別為電子和空穴

的遷移率。

107

R

Itf5

105

10*

2.02.53.03.5

lO^CK-1)

圖2

圖2給出兩個(gè)硅樣品霍耳系數(shù)隨著溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線。樣品1是n型的，樣品2

是P型的。

在圖2中，樣品1的曲線AB部分差不多是一水平線，在這一段溫度范圍，施主能級

上的電子幾乎全部躍遷到導(dǎo)帶中去了，而本征激發(fā)是可以忽略的，因而表現(xiàn)出溫度升高

導(dǎo)帶中電子密度不變。這就是所謂的飽和電離區(qū)。根據(jù)公式，在飽和區(qū)的霍耳系數(shù)R為

一常數(shù)，并且在無補(bǔ)償?shù)那闆r下，可以得出施主密度：

ND=1/e|R,i|(7)

同理，p型樣品的受主密度

NA=1/eRi,(8)

圖2的CD部分：當(dāng)溫度升高時(shí)霍耳系數(shù)迅速減小。這是由于溫度已經(jīng)足夠高了，能

使電子直接由滿帶躍遷到導(dǎo)帶的本征激發(fā)成為主要的。從而使電子濃度和空穴濃度相等,

并隨溫度升高迅速增大。這說明不管雜質(zhì)的種類和密度是怎樣的，由R-1/T知道在本征

導(dǎo)電時(shí)都有相同的激發(fā)能EJ2。此時(shí)硅的性質(zhì)決定于本征禁帶寬度，導(dǎo)帶和滿帶的有效

狀態(tài)密度，與外加雜質(zhì)的種類和密度無關(guān)，所以叫本征導(dǎo)電。

樣品2是p型的，p型樣品的曲線包含兩支，右面(低溫區(qū))的一支霍耳系數(shù)是正的,

而左面的一支霍耳系數(shù)是負(fù)的，圖中表示的是絕對值。P型半導(dǎo)體霍爾系數(shù)一個(gè)明顯特

點(diǎn)是，在溫度從雜質(zhì)電離范圍過渡到本征導(dǎo)電范圍時(shí)，霍爾系數(shù)將改變符號。這是因?yàn)?/p>

電子遷移率大于空穴遷移率的原因而引起的。

可以證明，在本征時(shí)：

吩呷水產(chǎn)exp(-Eg/2KT)(9)

上式中及為禁帶寬度，K是與T無關(guān)的常數(shù)。在本征導(dǎo)電時(shí)，硅樣品中晶格散射起主要

作用，遷移率和溫度的關(guān)系：

u?丁曜(10)

把(9)和(10)兩式代入(4)中可得:

3/2

R=AT-exp(E8/2KT)(11)

由于上式中R與T的關(guān)系主要是由指數(shù)項(xiàng)決定，所以它乂可以近似地寫為：

R=Bexp(Eg/2KT)(12)

這里A與B均為與T無關(guān)的常數(shù)。根據(jù)(12)式，在本征導(dǎo)電范圍，我們可以從InR-

1/T曲線的斜率來求禁帶寬度以。

電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系：

圖(1)中AC為測量電導(dǎo)的一對電極，AC之間的距離為1；橫截面積ab=s。當(dāng)有均勻的電

流沿x方向流過樣品時(shí)，測得AC之間電位差除，則電導(dǎo)率為：

。=卜1/VACab(13)

(13)式中各量常用單位是：h—安培，“一伏特，a、b、1一厘米，。一(歐姆?厘米)L

圖3表示n型硅樣品電導(dǎo)率隨溫度變化的曲線。在飽和電離區(qū)，載流子密度不隨溫

度改變。但是在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，由于晶格散射起主要作用，遷移率隨溫度升高而減少,

因此電導(dǎo)率隨溫度的升高是下降的。當(dāng)溫度進(jìn)入本征范圍，由于電子和空穴密度隨溫度

的上升而迅速增加。因此電導(dǎo)率也隨溫度的增加而上升。

本征導(dǎo)電時(shí)

。=e(puP+np?)=erii(nP+u?)(14)

把(9)、(10)兩式代入(14)中可得：

o=Cexp(-EB/2KT)(15)

其中C為與T無關(guān)的常數(shù)。根據(jù)(15)式，在本征導(dǎo)電范圍，也可以從In。-1/T曲線

的斜率求出禁帶寬度L。

400333

e10

o

—

u

)

0

O

3"二、x

10-1---------.-----------.----------.-----------.----------.-----------

2.02.53.03.5

103/T(K-1)

圖4

在雜質(zhì)電離區(qū)，則有

n型o=neUn(16)

P型o=peu”(17)

應(yīng)該指出，在霍耳效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)理論中，霍耳系數(shù)的公式與簡單理論給出的(4)、(5)

(6)式不同，它們之間相差一個(gè)霍耳因子.在雜質(zhì)電離區(qū)，通常定義一個(gè)霍耳遷移率

Un:

n型Un=|R|。(18)

p型uH=RO(19)

即電子或空穴的霍耳遷移率是由電導(dǎo)率和霍耳系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值直接算出的遷移率，它

們與對應(yīng)的電導(dǎo)遷移率□“或u0也相差一個(gè)霍耳因子。

三、霍耳系數(shù)測量中副效應(yīng)的消除

1.電位降V。的消除：在硅的霍耳電位差測量中，通常影響最大的副效應(yīng)是由于測量

電極AB不在同一等位面上所造成的，如圖4所示。因?yàn)樵谶@種情況下，即使在未加磁場

之前，AB之間就有一電位降V0=hR產(chǎn)生，其中R為AB所在兩等位面間的電阻。在測量

霍耳電位差時(shí)，電位差V。會迭加上去。由于硅的電阻率一般很高，所以V。和％常常是同

數(shù)量級，有時(shí)甚至V。大于%的值。V。的符號由電流的方向決定，與磁場的方向無關(guān)。

2.厄庭好森效應(yīng)：樣品在x方向的電流I和z方向的磁場B的作用下，在它的y方

向產(chǎn)生溫度差，這溫度差T「-Tn8lB,這溫度差將引起y方向的電位差，其數(shù)值用“表

示，4與I和B成正比，VE的符號與I和B的方向有關(guān)。

3.里紀(jì)一勤杜克效應(yīng)：樣品在x方向有熱流Q和z方向的磁場B的作用下，在它的

y方向產(chǎn)生溫度差，這溫度差T*—T.8QB,同理也可以產(chǎn)生電位差V也"QB,其符號與B

的方向有關(guān)，和I的方向無關(guān)。

4.能斯脫效應(yīng)：樣品在x方向的熱流Q和z方向的磁場B的作用下，在它的y方

向產(chǎn)生電位差，這電位差"8QB,%的符號與B的方向有關(guān)，和I的方向無關(guān)。

我們在實(shí)驗(yàn)中可以改變I和B方向，使V。、%和Vm從計(jì)算中消去，因此我們測量四

組數(shù)據(jù)：

等位面

圖4

在樣品中加+B+I時(shí),在AB兩端所得電位差

V產(chǎn)Vtl+VE+VRL+V、+VO

在樣品上加+B-I時(shí),在AB兩端所得電位差

V2=-%-VE+Va.+V*-V。

在樣品上加-B-I時(shí),在AB端所得電位差

V=3VH+VB-VRL-Vs-Vo

在樣品上加-B+I時(shí),在AB端所得電位差

V.,=-Vu-VE-Vra,-VN+Vo

由此可得

VH+VE=(V)-V2+V3-Vi)/4(20)

實(shí)驗(yàn)時(shí)我們應(yīng)該改變電流和磁場的方向，以測量電位差1、/、V3和V”然后按公式(20)

求平均值，這樣做免除了副效應(yīng)的影響，但只有厄庭好森效應(yīng)沒有消除，由VE引入

大約5%的誤差.一般采用交流測量可以避免VE的產(chǎn)生。

四、實(shí)驗(yàn)方法

1.線路和儀器設(shè)備：圖5是本實(shí)驗(yàn)所用線路示意圖。待測樣品安放在電磁鐵中間。

當(dāng)&接通時(shí)，有電流通過樣品，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值大小，使電流為0.5毫安左右。利用

換向開關(guān)S2,可改變通過樣品的電流方向。當(dāng)開關(guān)&接通時(shí)，有磁場加于樣品。我們把

交流電經(jīng)過穩(wěn)壓器和整流器變成穩(wěn)定直流電，用它來激勵電磁鐵，一般能獲得較穩(wěn)定的

磁場。利用換向開關(guān)S”可以改變磁場的方向。調(diào)壓變壓器的作用是通過它調(diào)整硒整流

器的輸出電壓，使激磁電流為實(shí)驗(yàn)所需要的數(shù)值。

由前面的討論可知，本實(shí)驗(yàn)所測量的量是電位差VM,和V,?我們分別采用UJ1型電

位差計(jì)和數(shù)字電壓表測量它們的數(shù)值。

為了測量從室溫到500K范圍的霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率，必須設(shè)計(jì)加熱裝置。我們把樣

品固定在石棉板做的長條形樣品架上，繞在石棉板上的電阻絲作為加熱器，整個(gè)樣品密

封在保溫瓶中。當(dāng)流過加熱器的電流逐漸增加時(shí)，樣品的溫度緩慢地上升。測量溫度用

銅一康銅熱電偶，溫差電動勢％用數(shù)字萬用表進(jìn)行測量。

2.樣品電極的制備：測量樣品的電極是要求做到歐姆接觸的，這對測量的準(zhǔn)確度影

響極大。為了滿足測量的要求，我們先用掩蔽的方法把樣品不需要的地方掩蔽起來，在

樣品的兩端和A、B、C、D四點(diǎn)都電鍍上金屬鍥，然后用銅制觸壓接觸，樣品兩端用銅塊

壓緊作為電流電極，這樣可以滿足測量要求。

五、具體要求

1.熟悉測試線路和使用的儀器，先在室溫下進(jìn)行幾次練習(xí)，然后逐漸增加通過加熱

器的電流，進(jìn)行變溫測量。

2.對于每一個(gè)確定的溫度，要求在+1,+B和-I,-B兩種條件下測出電位差相(即

公式(20)中的％和VJ,記下它們的數(shù)值和符號，由兩者的平均值得出霍耳電位差%。

在同一溫度下，還要測量和記錄電位差限和熱電偶的溫差電動勢Vr的數(shù)值。

3.根據(jù)室溫下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定霍耳電位差的符號和樣品的導(dǎo)電類型。

4.記下樣品尺寸，通過樣品的電流1“激磁電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度。整理好原始數(shù)據(jù)，

用計(jì)算機(jī)進(jìn)行霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)處理。

1.穩(wěn)壓器2.調(diào)壓變壓器3.硒整流器4.直流電源

圖5

實(shí)驗(yàn)二霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)處理

一、目的

利用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)一測量的霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)，求出硅的雜質(zhì)密度、霍耳

遷移率和禁帶寬度。

二、內(nèi)容和方法

1.利用室溫下測量的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)一中的公式(3)、(13)、(7)或(8)和(18)或(19),

編寫程序，計(jì)算霍耳系數(shù)、電導(dǎo)率、霍耳遷移率和雜質(zhì)密度，并把結(jié)果打印出來。

2.對于銅一康銅熱電偶，利用物理化學(xué)手冊給出的溫差電動勢VT與溫度T關(guān)系的

數(shù)據(jù)，由多項(xiàng)式擬合可以得出下述換算公式：

T=273+1.7445+24.347VT-0.32805VT2(1)

根據(jù)上式編寫程序，把測量的溫差電動勢換算成溫度，并以數(shù)據(jù)表的形式打印出來。

3.在測量的溫度范圍內(nèi)，計(jì)算和打印霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率隨溫度變化的數(shù)據(jù)表，顯示

和打印它們隨溫度變化的函數(shù)曲線。這是數(shù)據(jù)處理韻主要內(nèi)容。處理數(shù)據(jù)和畫圖的程序

已經(jīng)編好存入磁盤中，可供直接調(diào)用。從鍵盤輸入測量的數(shù)據(jù)，運(yùn)行該程序，即可顯示

和打印出結(jié)果。

4.利用本征導(dǎo)電區(qū)的霍耳系數(shù)或電導(dǎo)率隨溫度變化的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)一中的公式(12)

或(15)編寫程序，計(jì)算和打印出硅的禁帶寬度。

關(guān)于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的具體做法和步驟，可參考實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)說明。

三、實(shí)驗(yàn)報(bào)告

本實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)一(硅的霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率測量)寫成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)

目的；霍耳系數(shù)和電導(dǎo)率測量的原理和方法；如何消除測量中的副效應(yīng)；怎樣判別樣品

的導(dǎo)電類型；求出施主密度、霍耳遷移率和禁帶寬度的方法。

報(bào)告中應(yīng)列出原始數(shù)據(jù)，附上計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果(記錄數(shù)據(jù)表利曲線的打印紙)，還

要包括實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論。

實(shí)驗(yàn)三、光電導(dǎo)衰退測量少數(shù)載流子的壽命

一、目的

本實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)會用高頻光電導(dǎo)衰退法測量硅單晶中少數(shù)載流子的壽命。

半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的壽命對雙極型器件的電流增益、正向壓降和開關(guān)速度等起著

決定性作用。半導(dǎo)體太陽能電池的換能效率、半導(dǎo)體探測器的探測率和發(fā)光二極管的發(fā)

光效率也和載流子的壽命有關(guān)。因此，半導(dǎo)體中少數(shù)載流子壽命的測量一直受到廣泛的

重視。

測量少數(shù)載流子壽命的方法很多，分別屬于瞬態(tài)法和和穩(wěn)態(tài)法兩大類。瞬態(tài)法是由

測量半導(dǎo)體樣品從非平衡態(tài)向平衡態(tài)過渡過程的快慢來確定載流子壽命。例如：對均勻

半導(dǎo)體材料有光電導(dǎo)衰退法，雙脈沖法，相移法；對P-N結(jié)二極管有反向恢復(fù)時(shí)間法，

開路電壓衰退法。穩(wěn)態(tài)法是由測量半導(dǎo)體處在穩(wěn)定的非平衡時(shí)的某些物理量來求得載流

子的壽命。例如：擴(kuò)散長度法，穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法，光磁效應(yīng)法，表面光電壓法等。近年來,

許多文章介紹掃描電鏡測量半導(dǎo)體的少數(shù)載流子擴(kuò)散長度。在硅單晶的檢驗(yàn)和器件工藝

監(jiān)測中應(yīng)用最廣泛的是光電導(dǎo)衰退法和表面光電壓法，這兩種測試方法已經(jīng)被列入美國

材料測試學(xué)會(ASTM)的標(biāo)準(zhǔn)方法。

光電導(dǎo)衰退法有宜流光電導(dǎo)衰退法、高頻光電導(dǎo)衰退法和微波光電導(dǎo)衰退法。其差

別主要在于用宜流、高頻電流還是微波來提供檢測樣品中非平衡載流子的衰退過程的手

段。直流法是標(biāo)準(zhǔn)方法，高頻法在硅單晶質(zhì)量檢驗(yàn)中使用十分方便，而微波法則可以用

于器件工藝線上測試晶片的工藝質(zhì)量。

二、原理

以光子能量略大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光照射樣品，在樣品中激發(fā)產(chǎn)生非平衡電子和

空穴。若樣品中沒有明顯的陷阱效應(yīng)，那么非平衡電子和空穴濃度相等，他們的壽命也

就相同。如果所采用的光在半導(dǎo)體中的吸收系數(shù)比較小，而且非平衡載流子在樣品表面

復(fù)合掉的部分可以忽略，那么光激發(fā)的非平衡載流子在樣品內(nèi)可以看成是均勻分布。設(shè)

t=0時(shí)停止照射，非平衡的電子和空穴將不斷復(fù)合而逐漸減少。對于n型半導(dǎo)體中任意

--點(diǎn)，非平衡載流子流過體內(nèi)復(fù)合中心消失的復(fù)合率是-包金，它和非平衡載流子的濃

dt

度加成正比。即:

-粵=的(1)

at

在非平衡少數(shù)載流子濃度Ap比平衡載流子濃度no小得多時(shí),(1)式中的B是一個(gè)常數(shù)。

設(shè)t=0時(shí)，Ap=Ap(O),由式⑴可得：

△p=Ap(O)exp(-/3f)⑵

非平衡少數(shù)載流子的平均存在時(shí)間就是少數(shù)載流子壽命

(3)

將⑵式代入(3)式中，得：T

p1(4)

因此，(2)式可以寫成：Ap=Ap(O)exp(---)(5)

匕式表明，非平衡載流子濃度隨時(shí)間t按指數(shù)方式衰減。衰減的快慢由壽命”決定。

際越大，非平衡載流子濃度衰減越慢。

如果入射光的能量hv>Eg,這樣的光被半導(dǎo)體吸收之后，就會產(chǎn)生過剩載流子，

引起載流子濃度的變化。因而電導(dǎo)率也就隨之該變。對塊n型半導(dǎo)體來說，在無光照

的情況下，即處于平衡狀態(tài)。其電導(dǎo)率er,,=忖(%〃“+Po”。),這時(shí)的電導(dǎo)率稱為“暗

電導(dǎo)率當(dāng)有光照時(shí)，載流子的數(shù)目增加了，電導(dǎo)率也隨之增加。增加量為：

電導(dǎo)率的這個(gè)增加量稱為“光電導(dǎo)率”。

光照停止后，過剩載流子不再產(chǎn)生，只有復(fù)合。由于過剩載流子逐漸減少，則光電

導(dǎo)也就不斷下降。這樣，通過對光電導(dǎo)隨時(shí)間變化的測量，就可以得到過剩載流子隨時(shí)

間變化的情況，也就可以求出壽命。光電導(dǎo)衰退法測量過剩載流子壽命，就是根據(jù)這個(gè)

原理進(jìn)行的。

三、實(shí)驗(yàn)方法

高頻光電導(dǎo)衰退法是以直流光電導(dǎo)衰退法為基礎(chǔ)的。圖一是用直流光電導(dǎo)方法測量

非平衡載流子壽命的示意圖。光脈沖照射載樣品的絕大部分上，在樣品中產(chǎn)生非平衡載

流子，使樣品的電導(dǎo)發(fā)生改變。要測量的是在光照結(jié)束后，附加電導(dǎo)AG的衰減。利用

一個(gè)直流電源和一個(gè)串聯(lián)電阻RL，把一定的電壓加在樣品兩端。如果樣品是高阻材料，

則選擇串聯(lián)電阻RL的阻值比樣品電阻R的小得多。當(dāng)樣品的電阻因光照而發(fā)生變化時(shí),

加在樣品兩端的電壓基本不變。樣品兩端電壓的相對變化為：

AV_R\R

LX(―)(—)?1(7)

R(R+RL)RR

流過樣品的電流的變化AI近似地正比可樣品電導(dǎo)的變化AG,

I=VG

M?VAG

這個(gè)電流變化在串聯(lián)電阻&上引起電壓的變化為

4%=8*△/

△匕RN△G.t.

所以有:=^aexp(：)(8)

匕RJ

串聯(lián)電阻上的電壓變化由示波器顯示出來，如圖二所示。根據(jù)光脈沖結(jié)束以后金隨

時(shí)間的衰減，可以直接測定壽命

—?t

AAA

在高頻光電導(dǎo)方法中采用高頻電場替代了直流電場，電容耦合代替歐姆接觸。因而

不用切割樣品，不破壞硅棒，測量手續(xù)簡便。

如圖三方框圖所示，高頻原提供高頻電流來載波，頻率為30MHz的等頻震蕩的正

弦波,，其波形如圖四所示。將此訊號圖三U硅棒，在硅棒中產(chǎn)生電流：

j(ot

m

當(dāng)脈沖光照射到硅棒上時(shí)，將在其中產(chǎn)生非平衡載流子，使樣品產(chǎn)生附加光電導(dǎo)，樣品

電阻下降。由于高頻源為恒壓輸出，所以光照停止后，樣品中的電流亦隨時(shí)間指數(shù)式地

衰減：

電流的波形為調(diào)幅波，如圖五所示。在取樣器上產(chǎn)生的電壓亦按同樣規(guī)律變化。此

調(diào)幅高頻訊號經(jīng)檢波器解調(diào)和高頻濾波,在經(jīng)寬頻放大器放大后，輸入到脈沖示波器。

在示波屏上就顯示出一條指數(shù)衰減曲線,衰減的時(shí)間常數(shù)T就是欲測的壽命值。

圖四

測量中值得注意的問題：

1、由于壽命?般是隨注入比增大而增大，尤其是高阻樣品。因此壽命測量數(shù)據(jù)只有在

同一注入比下才有意義。一般控制在“注入比”§%,近似按下式計(jì)算注入比：

注入比=更"

k

上式中，AV為示波器上測出的訊號電壓值；k是前置放大器的放大倍數(shù)；V是檢波器后

面的電壓表指示值。

2、非平衡載流子除了在體內(nèi)進(jìn)行復(fù)合以外，在表面也有一定的復(fù)合率。表面復(fù)合幾率

的大小與?樣品表面所處的狀態(tài)有著密切的關(guān)系。因此在測量壽命的過程中，必須考慮表

面復(fù)合機(jī)構(gòu)的影響。我們討論一種理論上最簡單，實(shí)驗(yàn)上又最重要的情況一各個(gè)表面的

表面復(fù)合速度S均相等，并且S=oo。對于圓柱狀樣品，少數(shù)載流子表面復(fù)合率1月為：

12~11、

+(11)

r,.A4①一

其中A為樣品厚度，①為直徑，D為少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)。

少數(shù)載流子的有效衰退”則由下式給出：

L=1+l(12)

衰退曲線初始部分的快衰退，常常是由表面復(fù)合所引起的。用硅濾光片把非貫穿光去掉,

往往可以得到消除。

3、在有非平衡載流子出現(xiàn)的情況下，半導(dǎo)體中的某些雜質(zhì)能級所具有的電子數(shù)，也會

發(fā)生變化。電子數(shù)的增加可以看作積累了電子；電子數(shù)的減少可以看作積累了空穴。他

們積累數(shù)的多少，視雜質(zhì)能級的情況而定。這種積累非平衡載流子的效應(yīng)稱為陷阱效應(yīng)。

他們所陷落的非平衡載流子常常是經(jīng)過較長時(shí)間才能逐漸釋放出來，因而造成了衰退曲

線后半部分的衰退速率變慢。此時(shí)用底光燈照射樣品，常常可以消除陷阱的影響，使曲

線變得好一些。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1、樣品測試面應(yīng)無嚴(yán)重氧化及其它污染物。測試時(shí)如發(fā)現(xiàn)噪聲過大，可將測試面重新

噴砂或作其他清潔處理。在測試低阻樣品時(shí)，為了降低樣品與電極的接觸噪聲，可

在樣品與電極接觸處涂以自來水，但切勿涂到光照面上。

2、樣品置于耦合電極板上，拉起定位手柄，移動壓臂，使彈力橡皮與樣品接觸。松開

定位手柄，旋緊細(xì)調(diào)螺絲，時(shí)樣品測試面緊壓在電極匕

3、根據(jù)被測樣品的壽命值范圍選擇光源：K102，選用紅外光遠(yuǎn)；t>10即選用伍燈光

原。使用紅外光源時(shí)將濾光片旋鈕P3順時(shí)針方向旋盡,再將搬把開關(guān)Pi撥向“紅外”,

然后按下后“紅外”琴鍵。若使用筑燈光源，按下K3“熬燈”鍵，調(diào)節(jié)P3,選擇好

濾光片。

4、根據(jù)被測樣品的電阻率,選擇電表量程開關(guān)K3?P>100Q-cm,選擇IV檔;p<100Q-cm,

選擇100V檔。

5、配備適當(dāng)?shù)氖静ㄆ鳎脙x器所附的高頻電纜將儀器輸出端與示波器Y軸輸入端相聯(lián)

結(jié)。

先開始示波器，再啟動儀器電源開關(guān)K”時(shí)指示燈ZD亮，電表Mi應(yīng)該有指示。

如選用放燈光源，這時(shí)應(yīng)聽到每秒一次的觸發(fā)電離聲。慢慢調(diào)節(jié)包燈高壓控制旋鈕，一

般使放燈工作在4KV左右，此時(shí)應(yīng)出現(xiàn)閃光。

調(diào)節(jié)高頻輸出調(diào)諧旋鈕W2,使表Mi指示在輸出最大的調(diào)諧位置，以后一般不再旋

轉(zhuǎn)此鈕。

如果選用紅外光遠(yuǎn)，尚需要旋轉(zhuǎn)幅度旋鈕W3,此時(shí)電壓表M2應(yīng)該有指示。

6、對測量值受注入比影響比較大的樣品，對光源光強(qiáng)需要加控制。

使用敷燈時(shí)，通過調(diào)節(jié)濾光片厚度P3,改變光欄寬度P2以及筑燈工作電壓即可以使

光強(qiáng)在很大范圍內(nèi)變化。若低阻樣品加濾光片以后信號太小，一般可以不加。

使用紅外光源時(shí)，通過調(diào)節(jié)神化鐵二極管電源電壓W3即可。改變光強(qiáng)，該電壓升

高時(shí)光強(qiáng)即增加。一般在測量低阻樣品時(shí)，光強(qiáng)開到最大；測高阻樣品時(shí)，光強(qiáng)調(diào)至最

弱。若此時(shí)注入比過大，也可臨時(shí)加入1~2mm后的濾光片。測量低壽命時(shí)可適當(dāng)減小

脈寬以降低注入比。

7、調(diào)節(jié)示波器內(nèi)同步或外同步，Y軸衰減以及掃描速度，使儀器輸出的指數(shù)衰減曲線

波形與屏幕上的標(biāo)準(zhǔn)曲線盡量吻合。

使用紅外光源時(shí)，應(yīng)從紅外同步插座，用電纜引自示波器的外同步接頭，用外同步

信號顯示衰減波形，此時(shí)脈寬部分不再顯示。用內(nèi)同步則全部顯示。

通常光電導(dǎo)衰減曲線的起始部分不是指數(shù)，而衰退到50%以后基本進(jìn)入單一指數(shù)。

在光電導(dǎo)衰退曲線的指數(shù)部分取點(diǎn)，（見圖六），使△V2=1/2AVI。根據(jù)掃描速度刻盤或時(shí)

標(biāo)打點(diǎn)計(jì)數(shù)，讀出t2-t”就可以得到樣品的有效壽命：

?J,%…)

8、按被測樣品的電導(dǎo)率類型及電阻率，查找對應(yīng)的少數(shù)載流子擴(kuò)散系數(shù)D,求出體壽

命tb。

本實(shí)驗(yàn)測量幾個(gè)樣品。

圖六

實(shí)驗(yàn)四、電容-電壓法測量n/n+外延層中雜質(zhì)濃度

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過測量肖特基勢壘二極管電容與反向電壓的關(guān)系，測量硅及神化線n/n+外延層的

雜質(zhì)濃度隨深度的分布。

二、方法原理

目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用電容-電壓法測量外延層的雜質(zhì)濃度，主要是因?yàn)樗热结槂?yōu)

越。三探針法是基于反向擊穿電壓與雜質(zhì)濃度的關(guān)系建立起來的，并且使用標(biāo)準(zhǔn)樣品校

正的方法。由于反向擊穿電壓的限制，它對薄片和高阻外延層不適用。而電容電壓法可

以測量薄層（2~10微米）與雜質(zhì)濃度較低的（1012~10,4cm-3）外延層。目前碎化保外延

層很薄，用此法可以滿足工作的要求，并且它可以測出外延層中雜質(zhì)的縱向分布，對檢

查外延片質(zhì)量及設(shè)計(jì)器件有重要的意義。以卜我們就來看此方法的基本原則。

具有單向?qū)щ娦缘慕饘?半導(dǎo)體接觸，稱為肖特基勢壘二極管，簡稱SBD,SBD的

結(jié)構(gòu)和PN結(jié)是相似的。PN結(jié)中所形成的空間電荷區(qū)和自建電場，是因?yàn)镻型和N型

半導(dǎo)體的電子費(fèi)米能級原來高低不同，相互是不平衡的。形成SBD的金屬和半導(dǎo)體，一

般功函數(shù)也不同，所以也是互相不平衡的。因此同樣也要發(fā)生電荷的流動，形成空間電

荷區(qū)、自建場和勢壘，最后是費(fèi)米能級在各處達(dá)到同?水平。

金屬和N型半導(dǎo)體的SBD的空間電荷區(qū)很象一個(gè)P+N的單邊突變結(jié)。金屬一邊空

間電荷區(qū)很窄，是因?yàn)檩d流子濃度很高，相當(dāng)于很高的摻雜濃度。空間電荷的寬度幾乎

全在半導(dǎo)體一邊，其中正的空間電荷由電離施主構(gòu)成，此空間電荷區(qū)稱為耗盡層，耗盡

層的寬度取決于半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度。耗盡層的厚度隨外加電壓的變化直接反映著耗盡層

具有一定的電容。耗盡層的兩個(gè)界面可以看作平行板電容器的兩個(gè)面板，其電容值可由

下述關(guān)系表示：

⑴

式中：W---耗盡層寬度；￡--硅的介電場數(shù)；￡（）--真空電容率；A--結(jié)面積。

假如半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度是均勻的，則在耗盡層的區(qū)域內(nèi)，泊松方程的解給出了如下的結(jié)

論：

⑵

式中：C—結(jié)電容

A—結(jié)面積

q一電子電荷

￡—半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)

￡0—真空電容率

ND—n型半導(dǎo)體外延層施主濃度

Vj—自建電壓

V—外加反向片壓的數(shù)值

由⑵式得：V+匕=AS'Nn._L

⑶

2C-

當(dāng)反向偏壓增加時(shí)，電容減小，所以：

AV_A_q￡￡0N[)

(4)

AC一c3

C3AV

心(5)

A2q￡8^AC

屋Kg):*'代入⑸式得:

因?yàn)榻Y(jié)面積為圓形，所以:

1C3AV

N~2(6)

萬aAC

q=L6xlO」9［庫侖］,硅的介電常數(shù)￡=11.75,￡0=8.854x103法拉/厘米.把有關(guān)常數(shù)代入⑹

式得：Si:N(IV)=0.9744x10"^--―

D⑺

°d4AC

GaAs:ND(W)=L03X10”二?第(8)

(7)和(8)為實(shí)際應(yīng)用的公式，單位為：

△VT犬特；

C,AC—微微法；

ND(W)—［厘米產(chǎn)

由(1)式求出外延層深度W：

Si：w=81.7d2/C［微米］(9)

GaAs：W=81.2d2/C［微米］(10)

(9)和(10)式中的C用Pf；d直徑用mm。通過(7)、(8)>(9)和(10)式可以計(jì)算外延

層的雜質(zhì)濃度及外延層深度。

三、實(shí)驗(yàn)部分

SBD的制作：將外延偏平放，用細(xì)牙簽蘸取少量金液，輕輕滴在外延片上，一個(gè)外

延片上滴三四滴。注意金點(diǎn)不能過大，直徑在O.Ml.Omm之間。對高濃度外延片金點(diǎn)要

小一些，低濃度可以稍大一些。然后用紅外燈烤干。這時(shí)在外延片上形成金色的金點(diǎn)，

這就是形成SBD肖特基二極管。

點(diǎn)金液的配方：Au：HC1：HF=lg：10ml：10mL

歐姆接觸的制備：在測量時(shí)要求外延片的背面形成良好的歐姆接觸，一般在背面涂

上錢錫合金就可以滿足測量要求。（錢、鈿錫的配方比為：Ga：In：Sn=l：0.8：1,稱

好放入玻璃杯中在80℃烘相中烘干2小時(shí)即可。）

測量線路如圖一。

Cl(0.15jxf)

-------II-----------TJUIP-

L(2.5mH)

J

e

QK

表T5Z.C2*@

(0.01)if)

圖一

圖一給出了確定結(jié)電容的線路示意圖。使用一臺超高頻Q表來測量結(jié)電容，用可調(diào)

直流電源來向SBD上加反向偏壓，電壓的大小山伏特計(jì)讀出。電容C1是起隔直作用，

使直流部分與Q標(biāo)的交流信號分開。電感L,我們采用的是2.5mH（毫亨）蜂房式高頻

扼流圈，它主要是阻止高頻信號到直流部分，使高頻信號截止，使Q表產(chǎn)生的交流信號

無損耗的加到SBD上。C2是濾波電容，使很小的交流漏電濾掉。從無線電諧振電路原

理得到由電感、電容串聯(lián)的電路中，諧振時(shí)電感電容器兩端的電壓很大。當(dāng)Q表的高頻

振蕩源給諧振回路供給一個(gè)頻率為f的高頻電壓時(shí)，如回路中的電感固定，那么諧振電

容必須滿足：一―，或在實(shí)際測量中我們選定個(gè)Co而改變Q表的高頻振

Q酒）~L

蕩源的頻率。在諧振時(shí)：f-----/

2KLe、

如果我們在未加SBD之前測得一個(gè)諧振電容Co（即表上的主調(diào)電容器的電容值）

之后，當(dāng)SBD與Co并聯(lián)，這時(shí)回路失諧。如果減小Q表的主調(diào)可變電容到C”使Q

表的指示重新達(dá)到諧振，這時(shí)SBD的電容C必定等于Q表的主調(diào)電容的第一值與?第二

值之差，即C=CoC。由此可見，只要測得Co及Ci就可以得到SBD的電容值。我們對

SBD電容的測量正是基于這一諧振的原理。

實(shí)驗(yàn)中具體測量程序如下：

1、首先按Q表示用規(guī)則，熟悉Q表的使用方法。把Q表的主調(diào)可變電容放到500pf處,

然后調(diào)節(jié)頻率旋鈕達(dá)到諧振點(diǎn)，固定此頻率；

2、把預(yù)先做好SBD的外延片背面涂上一層水，然后在觸針架的底片上，將觸針放下，

與金點(diǎn)對準(zhǔn)并很好的接觸。這時(shí)回路失諧。再旋轉(zhuǎn)主調(diào)可變電容，重新達(dá)到諧振點(diǎn)。

這時(shí)500pf與可變電容指示值之差，即為零偏壓的SBD電容。記錄下此數(shù)據(jù)。繼續(xù)

調(diào)節(jié)直流偏壓旋鈕，使電壓有很小的改變，再調(diào)節(jié)主調(diào)可變電容旋鈕使Q表再次達(dá)

到諧振點(diǎn)，記錄下電容值。以次往下做下去，得到不同偏壓下的電容值。重要的是

在低壓區(qū)只能取小的電壓增加量，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)內(nèi)電容的變化最大。隨著反向電壓的

增大，SBD接近基傳。當(dāng)反向串聯(lián)微安表電流值（即SBD反向飽和電流值）大于

20微安時(shí)，即停止加反向偏壓，測量到此不繼續(xù)測了。為了減小測量誤差，要

—<—,電容值的變化不要過大。

C10

四、本實(shí)驗(yàn)的要求：

1、對每一個(gè)樣品，按下表詳細(xì)地記錄測量的數(shù)據(jù)。

V(V)Ci(pf)c(pf)AC(pf)AV(V)

2、為了熟悉計(jì)算公式和檢查測試的結(jié)果，先利用（7）和（9）式，或（8）和（10）式,

計(jì)算出任意一個(gè)外延層深度的數(shù)值和對應(yīng)的雜質(zhì)濃度。

3、根據(jù)公式（7）~（10）,編寫計(jì)算外延層濃度隨濃度變化的程序（已經(jīng)編好存入磁盤

中，可供直接調(diào)用）。從鍵盤輸入測量的數(shù)據(jù)，運(yùn)行該程序，即可打印結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)五二次諧波法測量雜質(zhì)濃度及其分布

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.了解二次諧波法測量雜質(zhì)濃度的物理模型，測試原理。

2.掌握一種測量雜質(zhì)濃度分布的方法。

二、實(shí)驗(yàn)儀器

RXB-1型半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度分布測試儀，X—Y記錄儀。

三、實(shí)驗(yàn)原理及方法：

1.物理模型：

如果我們用一個(gè)小的交流電來激勵加偏壓的肖特基勢壘二極管，在二極管兩端會產(chǎn)

生電壓降，它包含一次諧波和二次諧波兩種成分。一次諧波的振幅正比于耗盡層的深度,

二次諧波振幅正比于雜質(zhì)濃度的倒數(shù),因此便提供了種直接描繪雜質(zhì)濃度分布的方法。

卜面我們來導(dǎo)出這種方法的基本公式，所采取的途徑就是設(shè)法把結(jié)上的電壓變化表示成

耗盡層中電荷變化的函數(shù)。

0XX(Q)

圖一金屬-通硅整流接觸，加反向偏壓

一個(gè)金屬一半導(dǎo)體整流接觸，即肖特基勢壘，在反向偏壓下勢壘擴(kuò)展到x(Q),此

時(shí)單位面積的總電荷可以用耗盡層深度x(Q)表示為

Q=q/o'⑹N(x)dx(1)

N(X)是X處的電離施主的濃度。跨在耗盡層上的電壓Vuj■以表示成Q的函數(shù)：

V(Q)=J'OX(Q)E(X,Q)dx(2)

E(x,Q)表示耗盡層中任一點(diǎn)x處的電場強(qiáng)度數(shù)值。從圖一中看到，從x到x(Q)之間

的正電荷到金屬M(fèi)上的負(fù)電荷的電場都穿過x,而。到x之間的正電荷到M上的負(fù)電荷

的電場都不穿過x,因此在x處的電場強(qiáng)度為：

E(x,Q)=(q/￡)JX”*N(x)dx=(l/e)(Q-qJo"⑷N(x)dx)(3)

如果單位面積電荷Q增加一個(gè)小增量AQ,則電壓改變一個(gè)增量AV,勢壘邊界面

圖二電壓改變AV，勢壘邊界的變化

x(Q)變?yōu)閤(Q+AQ),此時(shí)根據(jù)公式(2),AV應(yīng)由下式給出:

△V=JoX(Q+AQ)AE(x)dx

X(Q+AQ)X(Q)

=f0E(X,Q+AQ)dx-fOE(X,Q)dx(4)

將下列兩式分別代入(4)中

x(Q+AQ)f

E(x,Q+AQ)=(q/￡)fxN(x)dx'(5)

X(Q)

E(x,Q)=(q/e)fXN(x')dx'

x(OtAO)X(Q+AZ;

則：AV=(q/e)fofX?N(X)dxdx

-(q/￡)/oX(Q)fx*@N(x')dx'dx

二(q/￡)JoJxN(x)dxdx

式(Q+AQ)「X(Q+AQ)N",、」,」

+(q/￡)[JxN(x')dx'dx

*(。)

X<Q)Z

-(q/￡)/o'⑹fXN(X)dx'dx

=(q/e)foX(Q)fX(Q)X(Q+AQ)N(XZ)dxzdx

+(q/￡)Jx(Q)JxN(x)dxdx(7)

如果AQ很小，可以認(rèn)為x(Q)與x(Q+AQ)之間N(x)為常數(shù)，故

△Q=q/X(Q)X(Q*AQ)N(X)dx=qN(x(Q))(x(Q+AQ)-x(Q))(8)

利用(8)式簡化下面二個(gè)積分為：

(q/e)Jo""fx(Q)X(QtA<!)N(x,)dx'dx=AQx(Q)/e(9)

X(Q+AQ),

(q/e)/泮"fX(Q)N(X)dx'dx

=fX(Q)X<QAQ)N(X)(x(Q+AQ)-x(Q))dx

=(q/e)N(x)(x(Q+AQ)-x(Q))?/2=△Q?/2qeN(x)(10)

于是(4)是變?yōu)椋?/p>

AV=AQ*x/e+AQ2/2qsN(x)(11)

假定AQ是交變電流I=I.sin3t引起的電荷增量，則這單一頻率正弦電流在面積為

A上引起的單位面積電荷增量AQ可寫為：

△Q=Iocos3t/3A(12)

將(12)代入(11)式得：

22222-

AV=xIoCOSwt/eA?+Iocos2wt/4wqeAN(x)+I0/4wqeAN(x)(13)

這就是二次諧波法的基本公式。由(13)式可見樣品上的電壓有第一項(xiàng)基頻電壓，

其幅度正比于勢壘邊界的位置x(Q),第二項(xiàng)二次諧波電壓，幅度正比于勢壘邊界電離施

主濃度N(x)的倒數(shù)。

2.儀器工作原理：

圖三測試電路方框圖

激勵被測二極管的基頻訊號由5MHz振蕩源產(chǎn)生,通過低通濾波器濾去基頻訊號的高

次諧波，由單一的5MHz頻率訊號去激勵被測二極管。改變加在二極管上的直流偏壓來改

變耗盡層深度，經(jīng)過訊號分離電路，樣品兩端的一次諧波由高頻毫伏表接收，二次諧波

10MHz的訊號經(jīng)過高通濾波器濾去混入的5MHz基頻訊號，由對數(shù)放大器接收。5MHz與

10MHz訊號分別經(jīng)解調(diào)后送至直流電壓表或送至X-Y函數(shù)記錄儀。

圖四測試電路示意圖

圖四為測試電路示意圖。

被測二極管在射頻電壓激勵下產(chǎn)生的二次諧波V2”的幅值非常小，所以振蕩源輸出

的射頻電流不僅需要恒定、線性工作時(shí)無畸變，而且本身的二次諧波必須完全去掉，否

則被測樣品產(chǎn)生的二次諧波””會被振蕩源本身的二次諧波所掩蓋，無法進(jìn)行測量。測

試樣品的訊號分離電路在5MHz和10MHz頻率時(shí)均要處于高阻抗的諧振狀態(tài)，使得很小的

二次諧波分量也不至于被分流去。分離電路組件(包括探針)對地的分布電容要小，不得

大于5PF,所以把它安裝在一個(gè)屏蔽的銅盒里。在電路中不能有非線性元件，以免產(chǎn)生

雜散的諧波來干擾被測訊號。接收二次諧波的放大器對于一次諧波衰減應(yīng)大于800db以

上，而且能有效的放大二次諧波。

四、儀器使用方法及定標(biāo)：

(一)使用方法：

1.接上樣品測試電路與連接的四根電線：儀器“激勵輸出”接到測試電路“激勵輸

入”；儀器“基頻輸入”接測試電路“基頻輸出”；儀器“諧波輸入”接測試電路“諧波

輸出”；儀器“偏壓”接測試電路偏壓。

2.儀器面板旋鈕位置：偏壓量程開關(guān)應(yīng)調(diào)在關(guān)的位置。偏壓旋鈕逆時(shí)針方向調(diào)整至

最小。深度量程旋鈕調(diào)至500mv-擋。激勵輸出旋鈕調(diào)至最大(儀器的“激勵輸出”與“深

度”合用?只表頭)。極性開關(guān)調(diào)至與待測樣品一致(P或N)。斷續(xù)開關(guān)應(yīng)放在斷的位置。

3.接上.電源插頭，開啟電源，將儀器預(yù)熱半小時(shí)。調(diào)整N(X)調(diào)零和X調(diào)零旋鈕分

別將N(X)、X調(diào)至零位(注意N(X)零位在表頭上有刻度，并非表頭機(jī)械零點(diǎn))。

4.安裝懸汞電極：開樣品臺后照明聚光燈，將懸汞電極汞滴調(diào)節(jié)至樣品臺約1nlm

高度處。然后調(diào)節(jié)實(shí)體顯微鏡，其中H鏡內(nèi)附有標(biāo)準(zhǔn)面積刻度板，調(diào)節(jié)實(shí)體顯微前后左

右位置，以便觀察到的汞滴最為清晰。

5.安放測試外延片：提高懸汞電極，在測試臺上滴一小滴水，放上外延片，并用鑲

子輕輕壓緊，用濾紙吸去多余水珠。

6.調(diào)整激勵功率：調(diào)整N(X)零點(diǎn)，使汞滴接近被測樣品，將激勵功率調(diào)至儀器標(biāo)

定的數(shù)值。

7.調(diào)整懸汞電極，使汞滴與外延片成肖特基結(jié)。汞滴接觸面積大小要與實(shí)體顯微鏡

中觀察標(biāo)準(zhǔn)面積一致。如圖五所示，其中上半球?yàn)楣危掳肭驗(yàn)橥庋悠瓷涞墓翁?/p>

象。圖乙面積偏大，圖丙面積偏小，均不正確。在顯微鏡內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)刻度板上有三根線，如

圖丁所示。ab二線間距離對應(yīng)汞滴直徑為①0.6mm,用于A擋測試。be二線間距離對

應(yīng)汞滴直徑為80.25mm,用于B擋測試。

8.將深度旋鈕調(diào)至XIOmv擋，按下屏蔽盒頂上調(diào)零按鈕，再調(diào)節(jié)x調(diào)零旋鈕至x

零位，放開按鈕即可從N(x)和x二只表頭上直接得到外延片的濃度與深度。

9.將偏壓量程調(diào)至X10V或X100V,調(diào)節(jié)偏壓旋鈕，施加反向偏壓，即得到濃度

N(x)隨深度x分布關(guān)系，可從表上直接讀數(shù)。在儀器上有漏電流指示表，一般選取

漏電流小于5UA,若一開始加偏壓，即出現(xiàn)較大漏電流，說明極性加反，改變偏壓極性

即可測試。

甲乙丙丁

圖五

10.如需要N(x)—X分布曲線，可從儀器背面N(x),x輸出接線柱上接上X—y記

錄儀，記錄儀需要半對數(shù)圖紙(注意圖紙應(yīng)倒放，上端濃度低，下端濃度高。N(x),x輸

出各自有電位器可調(diào)節(jié)衰減，使N(x)表頭上量程與對數(shù)記錄紙數(shù)值一致。N(x)起始零點(diǎn)

可調(diào)記錄儀零點(diǎn)，儀器面板上裝有斷續(xù)開關(guān)，是為了防止記錄儀在x擋“打表”，深度換

擋時(shí)必須將斷續(xù)開關(guān)切斷。當(dāng)測試完畢準(zhǔn)備抬起汞滴時(shí)，必須將斷續(xù)開關(guān)打向“斷”的

位置，偏壓量程開關(guān)打向“關(guān)”的位置，偏壓調(diào)節(jié)放置偏壓輸出為零位置。

11.測試完畢后應(yīng)將汞滴浸入蒸儲水中，以免氧化，已經(jīng)氧化的汞滴是不浸潤的，

不可用于測試。

(二)儀器定標(biāo)：

應(yīng)用此方法對被測樣品兩端的基頻電壓幅值V3和二次諧波電壓的幅值V23作絕對

測量是有困難的，因?yàn)樗軆x器各單元電路之間分布參數(shù)的影響，使測量值和V3,V23

之間有一個(gè)未知的比例常數(shù)，所以對儀器必須進(jìn)行定標(biāo)。

1.濃度N(x)定標(biāo)：

實(shí)驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)硅片來進(jìn)行定標(biāo)。指示濃度的是一只對數(shù)刻度表頭，它是由接收二

次諧波的對數(shù)放大器經(jīng)解調(diào)后的訊號驅(qū)動。從測試樣品上取得的二次諧波訊號與輸出表

頭成嚴(yán)格的對數(shù)關(guān)系，儀器上二擋激勵功率A,B是對硅材料1*1013—l*1016cm-3和

1*1016—l*1013cm-3濃度。其它材料我們只要稍變動一下激勵功率A、B,濃度表頭上

刻度同樣使用。例如我們想用此儀器測GaAs材料，我們可以選一塊濃度較均勻GaAs材

料，其N=l*1016cm-3,按儀器使用規(guī)則進(jìn)行測試，在結(jié)面積為0,0.6mm時(shí)，反復(fù)調(diào)整

激勵功率，使其濃度表頭指針指在l*1016cm-3,這樣就測得對GaAs材料在1*1013一

l*1016cm-3激勵功率A'。

2.深度x定標(biāo)

深度x是用標(biāo)準(zhǔn)電容來定標(biāo)的。

由C=￡eOA/x得x=eeOA/C?令￡eOA/C標(biāo)=1*10-4cm(lu),e、e0、A、均

為己知。求得各種材料對應(yīng)于lu深度的標(biāo)準(zhǔn)電容，例如GaAs在①=0.6mm結(jié)面積時(shí)，

C標(biāo)=27PF,在儀器輸出功率為時(shí)在測試探針處接上一只27PF標(biāo)準(zhǔn)電容，然后按下

屏蔽盒項(xiàng)上接地按鈕(探針接地)，調(diào)節(jié)x調(diào)零旋鈕至x零點(diǎn)，再放開按鈕，即得到在

0=0.6mm,激勵功率為"測試條件GaAs材料深度1u時(shí)對應(yīng)的一次諧波幅度(毫伏數(shù),

比如得1口=25mv)。如在10mv擋的滿量程深度x=10mv/2.5mv=4u,50mv擋滿量程深

度x=50mv/2.5mv=20u。下頁的表中給出各種材料對應(yīng)x為1U時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電容值。

五、實(shí)驗(yàn)步驟及要求：

1.熟悉儀器旋鈕用途,按使用方法(1)、(2)、(3)進(jìn)行操作。

2.用丙酮棉清除測試臺污物，外延硅片測試前用丙酮棉球進(jìn)行擦片處理，注意鏡子

尖不能觸到硅片表面。

3.安放探針及按使用方法⑴進(jìn)行安放處延片。

4.按使用方法(6)、(7)、(8)、(9)進(jìn)行測量。

5.測N型及P型外延片，每片測三次(片子中間三個(gè)不同地方)求出平均濃度，改變

偏壓觀察濃度隨深度的變化。

e(法拉/米)

C標(biāo)(PF)C標(biāo)(PF)

材料

①=0.6mm0=0.25mm

硅305.201.06*1012

銘406.971.42*10-12

神化鐵274.760.97*10-12

磷化鐵264.470.91*10“

磷化錢254.340.88*10”

6.將測N(x)—x分布片進(jìn)行測量，并觀察濃度隨深度變化；然后按附錄()X-Y

記錄儀操作