半导体物理实验讲义

N SS
Cox q2
Cox
1 CQ 1 Cox
1 CH 1
(6)
采用以下代换将NSS(VS)转换成NSS(E)
以表面处本征费米能级作为能量零点。
NSS(E)是表面能级位置E=EF附近的界面态密度，则界面态 能量为：
E EF EiS EF (Ei qVS )
Ec
VG>0
Ei
EF
Ev
多子耗尽
样品间形成热偶，造成电动势VE ∝ IB，方向与I、B有关。
（2）能斯脱效应——热磁效应
图1中，如在x方向存在热流，则在y方向产生电动势VN，其正负
只与磁场方向有关。
（3）里纪－勒杜克效应——热磁效应
图1中，如x方向存在热流，在y方向将产生温度差Ta-Tb∝ (T / x)B
以上效应可以通过改变电流和磁场方向测量并取平均值而消除。
一、实验目的
（1） 利用C-V测量SiO2的厚度 （2） 衬底掺杂浓度等参数。
二、实验原理
MIS结构类似于由金属和介质形成的平板电容器. 因半导体载流子密度很低，表面故形成空间电荷
区，且其厚度随偏压而变化，故MOS为微分电容。
金属
dox
SiO2
P型
VG dox
欧姆接触 MOS结构示意图
MOS结构等效电路
(1)
UH
RH
IH B d
(2)
其中EH为霍尔电场，RH为霍尔系数。
U H KI H B
3
K为霍耳片的灵敏度(厂家已给)，由式(3)测得一定励磁电流下的B
稳定时，载流子受到的洛仑兹力和霍耳电场力相等
fB fE qvB qEH
v J or v J
pq
nq
EH
JB pq
（3）
EH RH JB
三、实验方法
为了消除不等势电压降和各种负效应的影响，在测量 时，要顺次改变工作电流和磁场的方向，才能最终得 到霍尔电压
U H UH1 UH2 UH3 UH4 4
实验二 高频光电导衰减法测量Si单晶少子寿命
少子寿命是少数载流子的平均生存时间。也表示
非平衡载流子衰减到原来的1/e所经历的时间。
（2）陷阱效应 样品中的陷阱中心会俘获非平衡载流子，且要在大于f时间后 才释放出来复合而衰减，使寿命测量偏大。 样品加底光照，让陷阱始终填满，从而消除其影响。
实验三 MOS结构高频C-V特性测试
C-V实验是检测MOS器件结构参数和参数工艺 的重要手段。它可方便的确定： A、氧化层厚度 B、衬底掺杂浓度 C、氧化层中可动电荷密度和固定电荷密度。
RH 1 qp RH 1 q n
可见，由霍尔系数的符号可以判别半导体的类型。 霍尔系数的大小可以计算载流子浓度/掺杂浓度。
测量霍尔系数时常用能直接测量的的量来表示：
RH
VH d 108 cm3 IH B
/C
(n型）
其中108是单位变换时引入的。
单位：VH/V; I/A; d/cm; B/G， RH/cm3/C
半导体物理实验
实验一 霍尔效应
一、 实验目的
理解霍尔效应的原理； 掌握霍尔系数、载流子浓度和磁感应强度的测试； 确定导电类型。
二、实验原理
运动的电荷受到洛仑兹力而偏转，电荷在3、4侧面积聚，在y方
向形成电势差，此现象称为霍耳效应，电势差称为霍耳电势差，
用UH表示。 p型：霍耳电场EH沿图中+y方向。
衬底上透明薄膜的厚度、折射率及固体材料的
光学性质。
一、Δ与的的测量计算 1、Ψ与Δ的物理意义 2、 Ψ与Δ的测量与计算（如表1） 3、测试方法与步骤见实验指导书。
11
1
(1)
CQ Cox CS CSS
1 11
(2)
CH Cox CS
CSS
Cox
Cox
1 CQ 1 Cox
1 CH 1
(3)
根据电容的定义，有：
CSS
dQSS dVS
（4）
令NSS为单位表面积、单位能量间隔内的界面态数（cm-2. eV-1）
则有：
dQSS q2 NSS dVS
（5）
联立（3）、（4）和（5），可得：
NA ni
其中 o 、 s 表示氧化层和半导体的介电常数。
实验四 MOS结构准静态C-V测试
MOS结构低频C-V特性，是确定二氧化硅层厚度 界面态密度、检测MOS器件制造工艺的重要手段。
一、实验目的
（1） 利用C-V测量SiO2的厚度 （2）利用C-V确定界面态密度
界面态电荷对偏压的屏蔽作用和界面态的电容效应。
根据微分电容的定义和（1）式，得：
C dQM dQS
dQS
dVG
dVG dQS / Cox dVS
令
CS
dQS dVS
dQS dVS
VG d
C
1
CoxCS
(2)
1 Cox 1 CS Cox CS
(2)是表明MIS电容由C0和Cs串联而成，如右图。
常用归一化电容 C CS 1
对于圆柱形P型Si单晶，其少子寿命 满足：
1
f
1
2
D
(
1 l2
Fra Baidu bibliotek
9 4d 2
)
(4)
其中 D 为空穴的扩散系数，l、d分别表示圆柱 单晶的厚度和直径。
由（4）式求得少子寿命 。
测试条件和实验方法见实验指导书。
三、测试条件分析
（1）表面复合及高次模影响的抑制 在前表面产生的光生载流子，在表面很快复合消失， 光生载流子中各高次模也有高于基模的大衰减率， 故需将整个信号幅度的前1/3部分去除。
E EF EiS EF (Ei qVS )
qVB Ei EF ( p type) qVB Ei EF (n type)
E
qVS
qVB
qVS
k0T
ln
NA ni
E
qVS
qVB
qVS
k0T
ln
NA ni
( p type) (n type)
NSS(VS)转换成NSS(E) 读出C-V特性曲线上电容的最大值，根据：
光照停止，样品中非平衡载流子因复合按指数 衰减，取样信号同样变化，即：
i [I0 I exp(t / f )]sin t （3） v [V0 V exp(t / f )]sin t
示波器显示光电导指数衰减曲线，测其衰减常
数得到样品的有效少子寿命 f
Δp
(p)0
p0
e
0
τ
t
非平衡载流子随时间衰减
Cox Cox CS Cox / CS 1
Cox r 0 / dox
当偏压VG为负时，半导体表面积累空穴。 负偏压较大时，Cs极大，因而：
C Cox Cmax r0 / dox
最小电容和最大电容有如下关系：
Cmin
1
Cmax
1/ 2
1
2 i S dox
kT
q2N
S A
ln
当偏压改变时，表面势改变，因而费米能级在禁带 中的位置发生改变，界面态的填充几率就要发生变化， 界面态电荷随之发生变化的作用只是影响平带电压，
使实际C-V曲线相对于理想曲线在形状上发生改变。
在直流偏压上迭加交流小信号。引起 dVS ，从而引起 dQSS 。
所以界面态的作用又可以表现为电容
CSS
A dQSS dVS
霍尔系数测量中的几种负效应
a
等位面
M
N
I b
图3 不等势面电位差
（1）由于a、b电极处在不同的等位面，所以a、b之间存在 欧姆压降和霍耳电压；
（2）由于电极a、b和样品是不同材料，形成热电偶，因而 产生电流磁效应和热磁效应。
几种负效应
（1）爱廷豪森效应——电流磁效应
I、B方向如图1，将在y方向产生温度差Ta-Tb∝IB,从而在电极和
将左手掌摊平，让磁力线穿过手掌心，四指表示正电荷 运动方向（电流方向），则和四指垂直的大拇指所指方 向即为洛伦兹力的方向。 如果运动电荷是负的，仍用四指表示电荷运动方向， 大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。
考虑杂质离化区，且只有一种载流子的情况下，当 不计速度的统计分布，稳态时，
EH RH J H B
Cmax Ci A r 0 d0
计算氧化层厚度d0
实验五 椭偏法薄膜厚度、折射率 和固体的复折射率
椭偏法是一种研究两种媒介间界面、表面或表面中光学 性质的技术。
一、实验原理
利用偏振光束在分界面的反射和透射出现的偏振变换。
优点：非破坏性；测量精度高。
二、实验目的
掌握椭偏法的基本原理，学会使用传统椭偏仪测Si
一、实验目的
理解高频光电导衰减法测量少子寿命的原理，掌握 测试方法。
二、实验原理
高频光导测量装置简图
无光照时，样品中的高频电流：
i I0 sin t (1)
当脉冲光以小注入条件照射样品时，产生的非平 衡载流子使电导率增加，故样品中高频电流的幅
值增加 I ，此时高频电流为： i (I0 I)sin t (2)
二、实验原理
高频时，界面态充放电跟不上外加信号的变化，不出现 界面态电容，其等效电路如图1(a)； 低频率时，引入界面态电容CSS，其等效电路如图1(b)
Cox
Cox
CS
CS
CSS
Cox为绝缘层电容， CS半导体耗尽层电容。
设准静态测量的MOS结构的电容值为CQ，相同表面势下 无界面态的电容时（高频）MIS结构的电容为CH， 在耗尽区或弱反型区 ,有：