温度对半导体的电压电流影响实验

实验 温度、光对半导体导电特性的影响

一．实验目的与意义

无论是半导体单晶材料、PN 结、还是器件，其电学特性（如：电阻率ρ、I-V 曲线、载流子迁移率μ）均受温度、光（辐射）影响，因此，从原理上讲，半导体产品的应用受环境温度、辐射限制大。所以在设计、使用半导体产品时必须考虑环境因素。

通过本实验的学习，加深学生对半导体导电性理论的理解，培养学生自行设计实验方法，实际动手操作，观察现象，进行理论分析的能力。

二．实验原理

1.电阻率的测量：

设样品电阻率ρ均匀，样品几何尺寸相对于探针间的距离可看成半无穷大。引入点电流源的探针其电流强度为I ，则所产生的电力线有球面对称性，即等位面是以点电流源为中心的半球面，如图1-1所示。在以r 为半径的半球上，电流密度j 的分布是均匀的。

图1-1 探针与被测样品接触点的电流分布

2

2r

I

j π=

（1-1） 若E 为r 处的电场强度，则

2

2r

I j E πρ

ρ=

= (1-2) 取r 为无穷远处的电位ф为零，并利用 dr

d E φ

-

=，则有： ⎰

⎰⎰∞

∞-=-=)

(0

22r r

r r dr

I Edr d ϕπρϕ （1-3） I

r

()r

I

r πρφ2=

（1-4） 式（1-2）就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离r 的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流对距离为r 处的点的电势的贡献。

图1-2 四根探针与样品接触示意图

对于图1-2所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针１流入，从探针４流出，则可将1和４探针认为是点电流源，由式（1-3）得到探针２和３的电位为：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=

24122112r r I πρϕ (1-5) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=

3413

3112r r I π

ρϕ (1-6) 探针２、3电位差为：3223ϕϕ-=V ，由此得出样品电阻率为：

I

V C

r r r r I V 23

1

341324122311112=⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛---=-πρ （1-7） 式(1-7)就是利用直流四针探法测量电阻率的普遍公式。当电流取I =C 时，则有ρ=V 23，可由数字电压表直接读出电阻率。

实际测量中，最常用的是直线四探针。即四根探针位于同一直线上，并且间距相等，设相邻两探针间距为S ，则半无穷大样品有：

S S C 28.62==π （1-8）

通常只要满足样品的厚度，以及边缘与探针的最近距离大于四倍探针间距，样品近似半无穷大，能满足精度要求。 1． 块状和棒状样品的电阻率

四探针测试仪探针间距均为1mm ，块状和棒状样品外形尺寸与探针间距比较，符合半无穷大边界条件，有C=2π, 因此，只要I =6.28I 0，I 0为该电流量程满刻度值，由电压表读出的数值就是电阻率。 2． 片状样品的电阻率

片状样品其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时要提供对样品的厚度、测量位置的修正系数。

⎪⎭

⎫

⎝⎛⎪⎭⎫

⎝⎛=S d D S W G 0ρρ (1-9) 式中：ρ0为半无穷样品的电阻率；⎪⎭

⎫

⎝⎛S

W

G 为样品厚度W 与探针间距S 的修正函数，可由附录1查得；⎪⎭

⎫

⎝⎛S d D 为样品形状和测量位置的修正函数，可由附录2查得。当圆形硅片的厚度满足

5.0〈S

W

时，有： ⎪⎭

⎫

⎝⎛⋅=S d D W I V 53.4ρ （1-10）

2.由ρ-T 曲线可知温度对电阻率影响很大，实验测得的高阻单晶硅片与掺杂单晶硅片ρ-T 曲线完全不同，这可由电阻率公式说明：

本征半导体电阻率ρi ： )

(1p n i i q n μμρ+=

（2-1）

掺杂半导体电阻率ρ： )

1

p n pq nq μμρ+=

（2-2）

本征半导体电阻率由载流子浓度n i 决定，n i 随温度上升而急剧增加，室温附近，温度每增加8℃，硅的n i 就增加一倍，因为迁移率只稍有下降，所以电阻率将相应地降低一半左右。300K 时，ρi 约为2.3*105

Ω·cm 。

对掺杂半导体，有杂质电离和本征激发两个因素存在，由有电离杂质散射和晶格散射，两种散射机构的存在，因而，复杂。图2-1是掺杂单晶硅ρ-T 曲线示意图。

ρ

T

A

B

C

-- 本征半导体 — 掺杂半导体

D

图2-1 Si 的ρ-T 曲线示意图

温度较低时，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随着温度升高，而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移率随温度升高也增大，所以，ρ-T 曲线下降（AB 段）。温度继续升高，杂质已全部电离，本征激发还不显著，载流子基本不变，而晶格振动散射成为主要影响因素，迁移率虽温度升高而降低，所以，ρ-T 曲线上升（BC 段）。温度继续升高，本征激发很快增加，本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响，本征激发成为最主要影响因素，表现出与本征半导体相似的特性（CD 段）。

三．实验内容

学生自行设计一半导体材料、芯片或器件的电学特性随环境温度或光注入变化的实验方案，在实验室现有条件下，进行测试，并对实验现象和结果进行分析、讨论，给出合理的理论解释。

四．实验样品与仪器

SZ82四探针测试仪，晶体管特性图示仪，YY2814LCR 自动测试仪，调温探针台，温控仪，白炽灯等，高阻单晶硅片，掺杂单晶硅片，pn 芯片，晶体管、二极管。

五．实验步骤

以半导体电阻率随温度的变化为例： 1、实验方法

采用SZ82四探针测试仪，温控仪，测量高阻单晶硅片、掺杂单晶硅片的电阻率随温度的变化，即做出电阻率-温度（ρ-T ）曲线，对比高阻单晶硅与掺杂单晶硅ρ-T 曲线的不同。 2、测试数据：

按实验五调试四探针仪，硅片置于温控仪测试台上，从室温开始升温，每隔几℃测一组（ρ，T ）值，分别列表记录测试结果，绘出高阻单晶硅片与掺杂单晶硅片的ρ-T 曲线。

由室温电阻率与硅掺杂浓度关系（附表ρ-n 曲线），得到硅片样品的杂志浓度含量。

六．数据处理 记录掺杂半导体电阻率随温度变化数据，画出ρ-T 图，分析误差。

ρ

T

A

B

C

-- 本征半导体 — 掺杂半导体

D