华南理工大学半导体物理器件实验讲义（2012级） - 图文

华南理工大学半导体物理器件实验讲义 (2012级）

目 录

目 录 ........................................................................................................................................... 1 实验一 半导体单晶霍尔系数和电导率测量 ........................................................................ 1 实验二 高频光电导衰退法测量硅（锗）单晶少子寿命 ................................................ 20 实验三 用椭圆偏振仪测量介质膜的厚度和折射率 ........................................................ 31 实验四 几种半导体器件直流参数测试 ............................................................................. 49 实验五 MIS 结构的高频 C-V 特性测量（选做） ........................................................ 73

实验一 半导体单晶霍尔系数和电导率测量

一．实验目的

霍尔效应是半导体中的载流子在电场和磁场综合作用下产生的效应，研究霍尔效

应对发展半导体理论有着重要的实际意义。利用霍尔效应来测量霍尔系数是研究半导体性质的重要实验方法，它在半导体测试技术中占有重要地位[1]。根据霍尔系数的符号可以判断单晶材料的导电类型；根据霍尔系数及其与温度的关系，可以计算载流子的浓度以及载流子浓度与温度的关系，由此可确定单晶材料的禁带宽度和杂质电离能；通过霍尔系数和电阻率的联合测量，能确定载流子的迁移率；用微分霍尔效应法可测量纵向载流子浓度分布；测量低温霍尔效应可以确定杂质补偿度。霍尔效应是半导体磁敏器件的物理基础。1980 年发现的量子霍尔效应对科技进步具有重大意义。

本实验的目的是通过测量半导体单晶材料的霍尔系数和电导率，求出该材料的导

电类型、杂质浓度和霍尔迁移率；并通过测量高温本征区霍尔系数的温度系数。求出样品的禁带宽度。

二．实验原理

对一块长度为 l、宽度为 w 和厚度为 d 的长方体半导体样品，沿其 X 方向通

以均匀电流 Ix，沿 Z 方向加以均匀磁感应强度的磁场 Bz，这时样品中流动的载流子由于受到洛伦兹力作用而发生偏转，在样品的 Z 方向的两边界积累不同的电荷，从而形成与洛伦兹力相抗衡的横向电场 Ey，如图 4-1 所示。这种现象称为霍尔效应，而 Ey 称为霍尔电场。荷电为 q 的粒子在电场 E 和磁场 B 作用下所受到的洛伦兹力为

F?qE?v?B????

(4-1)

式中 F 为洛伦兹力，单位为牛顿；q 为电荷，单位为库仑；v 为带电粒子的运动速度，单位为米/秒，B 为外加磁场的磁感应强度，单位为韦伯/米2。当霍尔电场对载流子的作用力与洛伦兹力相抵消时达到稳定状态，这时霍尔电场有一个确定值。实验证明，霍尔电场 Ey 为

Ey?RHjxBx

(4-2)

式中 jx 为电流密度，单位为 A；RH 为比例常数，称为霍尔系数，单位为 cm8/C；Bz 的

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图 4-1 n 型半导体样品中霍尔效应示意图

单位为高斯；则

jIx?w?d(4-3) 和

EVHy??w(4-4)

式中 VH 为 l 两端点之间的电势差，称为霍尔电压，单位为 V；从而得

Vx?Bz??108d?VHH??RH?Id?I x?Bz

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(4-5)

由上式可见，只要测出霍尔电压 VH 的值，即可求得霍尔系数 RH。

1．判断导电类型

在相同电场和磁场的作用下，n 型样品和 p 型样品因多数载流子的运动方向和

所带电荷的极性相反，受洛伦兹力作用产生的横向电场的方向相反，霍尔系数的符号亦不相同。因此，可以从霍尔系数的正负来区分被测样品的导电类型。对图 4-1 所示的情形，若为 n 型样品，Ey < 0，VH > 0，RH < 0；对 p 型样品则刚好相反，Ey > 0，VH < 0，RH > 0。

2．求杂质浓度

根据霍尔效应的统计理论可得

RH??nvn?n?pvp?pq?n?n?p?p?222

(4-6)

式中：n 和 p 为电子和空穴的浓度，?n 和 ?p 为电子和空穴的电导迁移率，?n 和 ?p 为电子和空穴的霍尔因子，有

vn??H? 和 vp?H ?n?p式中 ?H 为霍尔迁移率。 对 n 型半导体，n ? p，则

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