《半导体物理》实验指导书(2009年版)

半导体物理

实

验

指

导

书

信息工程学院电子科学与技术教研室

2009

目录

实验一：霍尔效应 (1)

实验二：四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻 (6)

实验三：椭偏法测薄膜厚度和折射率 (9)

附录A:《RTS-8型双电测四探针测试仪用户手册》 (11)

附录B:《WJZ/WJZ-Ⅱ型多功能激光椭圆偏振仪使用手册》 (30)

实验一 霍尔效应

一、实验目的

1. 了解霍尔器材对材料要求的知识；

2. 学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的S H I V ~曲线；

3. 学会确定试样的导电类型，载流子浓度以及电导率。 二、仪器设备

QS-H 型霍尔效应实验组合仪 三、实验原理

1. 导体材料霍尔系数的确定

由霍尔电压H V 与磁感应强度B 的关系，B I d

R V S H

H =知，只要测出H V 以及知道S I 、B 和d ，可计算出霍尔系数

B

I d

V R S H H =

（1） 2. 导体材料导电类型的确定

若实验中能测出S I 、B 的方向，就可判断H V 的正负，决定霍尔系数的正负，从而判断出半导体的导电类型。当0

3. 导体材料载流子浓度的确定 由霍尔系数B

I d

V ne R S H H =

=

1，可得 de

V B

I n H S = （2）

如果知道H V 、S I 、B ，就可确定该材料的载流子浓度。根据电导率σ与载流子浓度n 以及迁移率μ之间的关系μσne =知，通过实验测出σ值即可求出

σμH R = （3）

4. 霍尔组件对材料的要求

根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率μ高、电阻率ρ亦较高）的材料。因μρ=H R ，就金属导体而言，μ和ρ均很低，而不良导体ρ虽高，但μ极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔组件。半导体μ高，

ρ适中，是制造霍尔元件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔元

件都采用N 型材料，其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔组件的输出电压较片状要高得多。

5. 实验中的副效应及其消除方法

在产生霍尔效应的同时，还存在一些与温度、电极与半导体接触处的接触电阻有关的效应，这些效应也会在霍尔元件的上下侧面产生电位差。这种不是霍尔效应产生的电位差的存在将影响测量结果的准确性，实验时应当设法消除。本实验主要影响来自不等势电压σV ，如图1所示，当电流S I 流过霍尔元件时，沿电流方向电位逐渐降低。设图中平行线为一系列等位线。如果两个电极引出线没有焊接在同一等位线上，这两个电极引出线间便存在电位差，称为不等势电位σV 。显然，不等势电位σV 的正负极性随电流的方向的不同而改变，与磁场无关。

除σV 外还存在由于热电效应和热磁效应所引起的各种副效应，这些副效应均可通过改变S I 和B 的方向的方法加以消除。即在规定了电流和磁场正、负方向后，分别测量由下列四组不同方向的S I 和B 组合的电位差H V ，即：

+B ，+S I 1V V H =； -B +S I 2V V H -= -B ，-S I 3V V H =； +B ，-S I 4V V H -=

然后取平均值得

4

4

321V V V V V H -+-=

（4）

这种消除伴随效应的方法，是消除系统误差的一种方法，采取这种措施后可以使测量准确度

提高一个数量级。

6. 实验装置简介

QS —H 型霍尔效应实验组合仪由实验装置和测试仪两大部分组成。 A 、螺线管实验装置（图2所示） 1）电磁铁

磁铁线包的引线有星标者为头，线包绕向为顺时针，根据线包绕向及励磁电流M I 的关系标明在线包上。

2）样品和样品架

样品材料为N 型半导体硅单芯片，样品的几何尺寸为：厚度mm d 5.0=，宽度

mm b 0.4=，A 、C 电极间距mm L 0.3=。

样品共有三对电极，其中A 、'A 或C 、'

C 用于测量霍尔电压H V ；A 、C 或'A 、'

C 用于测量传导电压σV ；

D 、

E 为样品工作电流电极。样品架具有X 、Y 调节功能及读数装置。

3）S I 和M I 换向开关及H V 、σV 切换开关。

S I 及M I 换向开关投向上方，则S I 及M I 均为正值，反之为负值，“H V 、σV ”切换开

关投向上方测H V ，投向下方测σV 。

B 、测试仪（图3所示）

1）“S I 输出”为0～10mA 样品工作电流源，“M I 输出”为0～1A 励磁电流源，两路输出电流大小通过S I 调节旋钮及M I 调节旋钮进行调节，其值可通过“测量选择”按键由同一只数字电流表进行测量，按键测M I ，放键测S I 。

2）直流数字电压表

图2 实验仪装置示意图

M I 和σV 通过功能切换开关由同一只数字电压表进行测量。

电压表零位可通过调零电位器进行调整。当显示器的数字前出现“一”号时，表示被测电压极性为负值。

四、实验内容及步骤

1. 测绘H V —S I 曲线

1）将测试仪面板上的“S I 输出”、“M I 输出”和“H V 、σV 输入”三对接线柱分别与实验仪上的三对相应的接线柱正确相连。切不能将M I 电流接到样品电流上，否则可能烧坏样品。

2）将实验仪“H V 、σV ”切换开关合向H V 侧，测试仪“功能切换”置H V ，调“M I 调节”，取A I M 6.0=保持不变。

3）调“S I 调节”，使S I 值为表中所示，并相应地转换S I 输入、M I 输入开关方向。测出H V 为V 1，V 2，V 3，V 4见表。

2. 测量σV 值，计算电导率

1）将“H V 、σV ”切换开关投向σV 侧，“功能切换”置σV 。 2）在零磁场下（0=M I ），使mA I S 00.2=，测量σV 。

图3 测试仪面板示意图