电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 第一章半导体材料导电型号、电阻率、 少数载流子寿命的测量 第导电型号的测量 半导体单晶的导电到号是一个重要的基木电学参数。根据单品制备时所掺杂的元素是 受主还是施主元素,可以将单品划分为P型和n型两大类。P型单晶中多数载流子是空 穴,它主要依靠空穴来导电;n型单晶中多数载流子是电子,它主要依靠电子来导电。因 此p型半导体又可称为空穴半导体,n型半导体又可称为电予半导体。 半导体器件厂用一定型号的单晶来生产所需要的半导体器件。通过一定的器件工艺生 产出二极管(P-n)、三极管(n-p-或p-n-p)和集成电路等等。测量半导体导电类型可 以为制作半导体器件提供原始依据。 目前,国内外测量导电型号主要有三种方法: 1)冷热探针法 2)单探针点接触整流法; 3)三探针法 现将以上几种方法的基本原理和适用场合介绍如下: 测试方法及基本原理(1,3 1.冷热探针法 冷热探针法是利用温差电效应来测量半导体的导电型号的,其中又可分为利用温差电 流方向和温差电势极性两种测量方法,如图1-1所示。在单晶样品上压上两根金属探针(即 探笔),一根热探笔(以用钨材质为宜)用电阻丝加热,电阻丝采用无感绕法,其间用云 母绝缘;另一根冷探笔用不锈钢制成。每一根探笔头部都应成为60°圓锥。热探笔上所用 检浇计 检测仪 屏藏 图1-1冷热探针法测导电类型 a)利用温差电流方法测量;(b)利用温差电势极性测量 http://www.dianyua92com 8510 PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 电阻丝的功率一般只需10~25瓦,使冷热探笔的温差保持30~40°C即可,而冷笔温度为室 温。当冷热两根探针与半导体材料接触之后,两个接触点便产生了温差。如果将冷热探针 接上检流计并使之构成一个闭合回路,就会发现检流针中的光点朝某一方向偏转,这表示 回路中出现一定方向的电流,这一电流就是大家都熟知的温差电流。 半导体中温差电势和温差电流的产生,可以用能带理论解释。com 假设样品为P型材料,冷热探针的温度分别为7、不且设想不同温度的区城是 相互隔离开的。每一个区域都可看成是热平衡的区,这样便可以写出各自在热平衡时的 费米能级 Er=kTln (1-1) EF, -Ey=kT2ln 式中,N是价带有效状态密度,NA为P型材料的掺杂浓度。因为载流子的热运动速度与 溫度有关,热区的空穴热运动速度大,而冷区的空穴热运动速度小。因此热端向冷端运动 的空穴将比相反方向运动的空穴多,这样产生了空穴的扩散流,扩散流把一部分空穴从热 端带到冷端,于是热端空穴比平衡的浓度要低,而冷端则出现多余的空穴。其结果形成了 冷热两端电荷的积累,热端缺乏空穴带负电,冷端积罴了空穴带正电,于是冷热两端之间 便产生了电势差,这种电势差称为温差电动势。由于冷热两端有了电势差,电势高的地方 电子能量低;相反,电势低的地方电子能量高,这样半导体中的导带底和价带顶不再是两 条水平线,而是两条平行的倾斜线,如图1-2所示。 因为费米能级的位置一方面与温度有关,另一 方面与掺杂浓度有关,可以在图1-2所示的能带图 中表示出半导体的费米能级。冷端的费米能级与Ep 较接近一些,热端的费米能级与E则较远离一些。 冷热两端的费米能级的差别反映了空穴由热端 扩散到冷端时,热源对空穴所作功的大小,从而提 高了空穴的位能,表现在冷端的电势高于热端的电 势,产生了温差电动势。 由理论可以推得P型样品的温差电动势ys的 大小与温度差成正比〔2 k(1nM+2)4T (1-2) 式中,k为玻尔兹曼常数;q为空穴的电荷量;Nr 为价带的有效状态密度;NA为P型样品掺杂浓 图12半导体中温度不同的两个区域能度。以上是温差电动势大小的基本公式。对于型 特发生斜及型导体中空穴的运动情况样品则有下式: N 4(lnN+2)△7 (1-3) 式中,Nc为导带有效状态密度;ND为n型样品的施主杂质浓度。 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 图1-3示出了n型和p型样品中温差电动势产生的情形,由图可见,m型和p型半导 体所产生的温差电动势的方向相反。P型样品,热端的空穴向冷端扩散,冷端带正电,热 端带负电;而n型样品,电子为多数载流子,热端电子的热运动速度大,而冷端电子的热 运动速度小,这样从冷热两端之间取某一裁面来看,从热湖到冷瑞的电子数比从冷端到热 端的电子数多,出现从热端到冷端的电子扩散流。热緇的电子比平衡电子浓度低,因此带 正电,而冷端的电子比平衡电子浓度高,因此带负电 热 电子扩散流 空穴扩散毳 n型材料 p型材料 图1-3n塑和型材料产生不同极性的混差电动势的情况 由上可见,使用相同的冷热探笔,根据温差电势或温差电流的方向就可以判断半导体 材料的导电型号。 2.单探针点接触整流法 用点接触整流法测试单晶的导电型号所用的线路如图1-4所示。图1-4(a)所用方法只 需一个检流计,依据检流计光点偏转的方向来判断单晶型号。图1-4(b)所示方法需要一个 示波器,依据示波器所显示的图形来判断单晶导电型号。后一方法也可同时配合一个检流 计,这样可以判断更正确些。 上桦品]欧游黄 接触 正负 欧接触 示波器图形 图1-4点妾触整流法测导电类型 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 本测试方法的基本原理就在于利用金属与半导体接触时的整流恃性。金属与半导体接 触时,半导体的能带发生弯曲,枸成多数载流子的势垒,形成阻挡层,此时就出现整流特 性。如果势垒区很窄,载流子可依靠隧道效应从势垒底部通过,使整流特性破坏则为欧姆 接触特性 如用钨丝与P型半导体相接触,两者之间构成整流特性,称为总持基结或肖特基二极 管。在正向偏置时,空穴(多数载浇子)就应该从P型半导传滤人鸦丝探针中。实际上 由于在半导体一边存在空穴的势垒,这时电流往往以啦字从钨丝向型半导体注入的方式 出现,这叫少子注入。注入的少子(电子)往在P型半导体边界上积累起来,使正向电 流滅少。通常将探针头得很尖双碰增大少子的注入效应,因此称为点接触整流特性 与此相反,对于构成欧姆揆鰱往往希望它是大面积高复合接触。 般钨、金等均与半导体材料构成整流接触,而铅、镍等则与半导体材料构成欧接 蝕。此外,n型硅与五价元素的合金(如Au-Sb、Au-As合金)和P型硅与三价元素的合 金(如Au-Ga、In-Ga合金)均构成良好欧姆接触特性。 在图1-4(a)所示方法中,外加交流电源在正半周时,相当于探针接正,半导体接负 若所测样品为P型样品,则正半周无电流,而在负半周时,P型样品接正,探针接负,这 是通流方向,检流计的光点向左偏转。正负半周电流平均的结果,检流计的光点仍向左偏 转,从而确定所测样品是p型材料。若所測样品为型样品,则正半周恰好是通流方向 而负半周无电流。正负半周平均的结果,检流计的光点向右偏转 在图1-4(b)所示的方法中,在金属与半导体所构成的肖特基结两端取出电压信号,输 人给示波器的水平X轴,因为所加信号是交流电,示波器上的光点沿着X轴扫描。若又在 电阻R上取电流信号,翰入给示波器的垂直Y轴,并假设所测半导体为m型样品,则正半 Dy Dr Dx 型半导体 a型半导体 图1-5三探针法测量导电型号(a)及其等效电路(b 周(探针接正,样品接负)为通流方向,电阻R上有电流通过,示波器的光点应沿+y轴 扫描。而在负半周时,电阻R上无电流流过,示波器的光点不作一Y轴扫描。示波器的光 点沿X轴和y轴同步扫描的结果,合成后的扫描图形应呈“”形状。同理,对于P型样 品,正半周为阻流方向,而负半周为通流方向。示波器的光点沿X轴和Y轴同步扫描合成 的图形应呈“厂”形状。这样便可以依据示波器中所示的图形来确定被测样品的导电型 3.三探针法 在一块样品上压上三个探针,针距约为1,5~5毫米,在1-2探针间接上12伏的交流电 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 源,在2-3探针上接检流计,如图1-5所示。根据检流计正向或负向偏转就可以判断样品是 型还是n型。 因为探针与半导体可以构成整流接触,故可用图1-5(b)来等效探针与半导体接触,该 图是图1-5(a)的等效电路。接触电阻中包括势叁电阻和抗展电胜,前者可用二极管代替 在探针与半导体之间点接触的情况下,由于电截面在接触处附近最窄,所以体内电 压降主要集中在接触点附近的区域,它的内亦宙接触的几何特性所决定。假定在欧姆定律 成立的情况下,半导体体内的电沙由探针流入半导体的电流之间具有如下关系 =I·R 式中的R通常称为护扩展电阻,由理论推得,当接触面是半径为r的半球面时,则扩展电阻 R=卩0/2 式中,P为半导体的电阻率。 图15b)中的r1、r2、r3代表了探针与单晶接触时的扩展电阻,D1、D2、D3分别为 探针1、2、3与π型单晶接触时的等效二极管。 现在先来分析I、2探针的整流电流和电压,把1、2探针单独拿出来分析,如图 1-6所示。 文|a,a n型半导体 图1-61、2探针等效电路分析 设外加电压1波形如图1-7(a)所示,因为电路属纯电阻电路,所以电流i波形与电压 波形同位相。当v1为正半周时,D2中的电流方向为22当41为负半周时,D2中的电流 方向为22。 当电流方向为22时,在D2上所产生的电压为 22-=1i1(n2向+r2) 式中,ra25购为二极管D2反向偏置时的电阻。 当电流方向为22时,在D2上所产生的电压为 式中,ra2是二极管D2正向偏置时的电阻。 由于rD2B>rD2正闻,所以“2>422,相叠加的结果如图1-7(b)所示。如果在电阻R上 取出电压信号,那么就可在示波器上观察波形图。由上分折可知,422的直流分量大于零。 把2用电泡的电动势代替,再和3′、3攴路合在一起画成等效电路图1-8。 从上图可以看出,检流计中电流的方向是由3′到2′,即光点向左偏转。 用同样道理分析P型材料,“22具有负的直流分量,所以检流计中电流方向由2′到3’, http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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