半导体物理实验教材

自编经典教材目录
一、 半导体物理实验指导书
.1 实验的地位、作用和目的…………………………. 4
2. 实验一 单晶硅少子寿命测试…………………………5 3. 实验二 半导体方块电阻的测量…………………………9 4 .实验三 半导体电阻率的测量…………………………12
二、 微电子器件实验指导书
1. 实验的地位、作用和目的…………………………16 2. 实验一 测量双极晶体管的性质……………………17 3 实验二 晶体管特征频率的测量……………………19 4 实验三 测量双极晶体管的击穿特性…………………22
∫ ∫ ∴
xj 0
Neff
( x)dx
=
xj N (x)dx = Q （单位面积的扩散杂志总量）
0
∴有
R□
≈
1 qμQ
。
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）
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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：
《半导体物理实验》包括三个实验：Si 单晶少子寿命测试，方块 电阻测试，电阻率 ρ 的测试。 二．实验方式及基本要求
1.教师在课堂上讲解实验的基本原理、仪器使用、测试内容及实 验要求，交代实验注意事项。
2.学生分 4 人一组进行实验，要求必须自己动手做实验，然后独 立完成实验报告。 三．实验考核及实验报告：
是由复合引起的，因此应当等于非平衡载流子的复合率。
即 dΔp(t) = − Δp(t) 。
dt
τ
−t
小注入时，τ 为恒量，与 Δp(t) 无关，∴ Δp(t) = Ce τ 。
−t
设 t＝0 时， Δp(0) = (Δp)0 ，则 C = (Δp)0 ，∴Δp(t) = (Δp)0 e τ 。
图一 非平衡载流子随时间的衰减 这就是非平衡载流子浓度随时间按指数衰减的规律。利用上式可求出非平衡载流子平均生存
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
20~250
1
>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
时间 t 就是τ 。
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∫ ∫ ∫ ∫ t =
∞
tdΔp(t) /
∞
dΔp(t) =
∞ −t
te τ dt /
∞
−t
de τ
dt
=
τ
0
0
0
0
所以寿命标志着非平衡载流子浓度减少到原值 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
（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， 光源电压尽量地调小。 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
光注入必然导致半导体电导率的增大，引起附加电导率。
Δσ = Δnqμn + Δpqμ p = Δpq(μn + μ p ) 。
实际上，并不是光生电子和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 Δn >> Δp 或 Δp >> Δn 。
则电阻为 R = ρ l d⋅w
当 l＝d 时，表面成方块，它的电阻称为方块电阻，
记为
R□
=
ρ w
，单位为 Ω□。
设电流为
I，则
R
=
l d
R□ 。
对于一扩散层，结深为
xj
，宽
d，长
l，则
R
=
ρ
d
l ⋅ xj
。
定义 l＝d 时，为扩散层的方块电阻，
R□
=
ρ xj
=1 σxj
，这里的 ρ 、σ
均为平均电阻率和平均电导率。
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 Δn 、Δp ，且 Δn = Δp 。在 t＝0 时，
突然光照停止， Δp 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 Δp(t) ，它 dt
若原衬底的杂质浓度为 NB (x) ，扩散层杂质浓度分布为 N (x) ，
则有效杂质浓度分布为 Neff (x) = N (x) − NB (x) 。
在 x = x j 处， Neff (x) = 0 。
又假定杂质全部电离，则载流子浓度也是 Neff (x) 。
∴扩散层的电导率分布为σ (x)
=
1 ρ ( x)
图一 直线四探针法测试原理图 按下列公式计算样品的方块电阻：
R□ = V I × F (D S) × F (W S) × Fsp
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：
对非简并半导体来说，有 no po
=
Nc Nv
exp(−
Eg k0T
)
=
ni2
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 no 、 po ，而是存在过剩载流子 Δn 、 Δp ，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，载流子浓度恢复到平衡 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。
四、《PLD 原理及应用》实验指导书
1 实验一 PLD 开发相关软件和实验开发箱的使用………………40 2 实验二 电路图设计与仿真_半加器原理图输入………………51 3 实验三 PLD 组合逻辑设计BCD 码—七段数码显示译器…56 4 实验四 PLD 时序逻辑设计——8位移位寄存器…. ….61 5.实验五 PLD 混合逻辑设计——跑步计时用的数字跑表….67 6.实验六 自动售饮料机的设计……………………74 7.实验七 PLD 混合逻辑设计正弦信号发生器的FPGA实现. 79 8.实验八 步进电机的FPGA 实现……………………84
2．学生在做完一个实验后，需要独立处理实验数据，认真写实 验报告（内容包含实验原理、实验步骤和实验结果），在做实 验前还必须预习；
2．实验指导教师根据学生实验完成情况及实验报告情况打分， 然后综合各次实验给出最后考核成绩。
编著者：杨虹、唐政维、冯世娟
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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，载流子浓度是一定的。这种处于平 衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。
小注入时，σ 0 + Δσ ≈ σ 0
∴电阻率的改变 Δρ
=
1σ
−
1 σ0
=
−
Δσ
σ
2 0
∴电阻的改变 Δr
=
Δρ
l s
=
−
l
sσ
2 0
Δσ
∝
Δσ
−t
∴电压降的改变 ΔV = I Δr ∝ Δσ ∝ Δp = ΔV0e τ 。
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
附加电导率应为： Δσ 0 = Δnqμn 或 Δσ 0 = Δpqμ p 。
图二 光注入引起附加光电导
图三 电压变化的衰减曲线
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σ 0 ，光照引起的附加电导率为 Δσ ，
图二 仪器面板图 K7：电流换向按键 K6：测量/电流方式选择按键（开机时自动在电流位）
K5： R□ / ρ 测量选择按键（开机时自动设置在 R□ ）
K4、K3、K2、K1：测量电流量程选择按键
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W1：电流粗调电位器
W2：电流细调电位器