半导体与晶体薄膜的XRD测量_图文(精)
《半导体与晶体薄膜的XRD 测量》
实验报告
学院数理与信息工程学院专业物理学课程近代物理实验姓名阮柳晖学号 09180229 组员王健華指导老师斯劍霄
完成时间：2012年5月27日
【摘要】：利用Y —2000型X 射线衍射仪，对不同衬底所镀晶体薄膜进行XRD 测量，利用测量出的衍射峰，可以较好地分析薄膜晶面在不同温度下的生长趋势，从而帮助获得较高纯度的晶体薄膜。此外，利用各衍射峰的半高宽，可以获得相关晶体所对应的密勒指数下的晶粒大小，并对不同温度相同晶面的晶粒大小进行比较分析。
【关键词】：XRD 测量衍射峰晶体薄膜半高宽晶粒大小
【引言】：自从伦琴于1895 年发现X 射线以来，人们对X 射线的应用开展了深入的研究。X 射线衍射技术是利用X 射线在晶体、非晶体中衍射与散射效应，进行物相分析、结构类型和不完整性分析的技术，可广泛应用于物理学、化学、分子物理学、医学、金属学、材料学、高分子科学、工程技术学、地质学、矿物学等学科领域，是目前应用最广泛的一项技术，在材料现代分析方法中占有重要的地位。XRD 主要应用于定性相分析、定量相分析、晶粒大小的测定、材料的宏观和微观应力测定、织构(择优取向分析、取向度和晶体及多晶体的定向测量。
本文主要介绍利用XRD 衍射仪测量晶体衍射峰强度，从而了解所镀膜层随温度变化晶体生长取向的变化趋势，以及根据晶体对应密勒指数下的衍射峰的半高宽计算晶粒大小，进而对薄膜材料的制备条件有更为深入的了解。
【正文】：
一、实验原理
（1）、布拉格方程及其衍射理论
图1 X 射线布拉格衍射示意图
布拉格方程一般表示为：
2d hkl sin θ = n λ
其中，d hkl 是(hkl 晶面间距，θ 是布拉格角，整数n 是衍射级数，λ 是所用X 射线的波长。布拉格方程反映了X 射线在晶体中衍射时所遵循的规律。
（2）、谢乐公式
根据XRD 衍射数据，可以采用谱线宽化法间接测定晶体中平均晶粒大小，其计算式如下
L h , l , k k λ=βh , k , l cos θh , k , l
这就是著名的谢乐( Scherrer 公式。其物理意义为: 垂直于h, k, l 晶面方向上的晶粒大小。式中:
K: 入射X 射线的波长，操作中取0.9；
θh, k, l : h, k, l 晶面的衍射角；
B
h, : h, k, l 晶面衍射峰的宽度( 2θ弧度；
二、实验仪器及使用说明
本实验利用Y —2000型XRD 衍射仪。仪器如下：
其内部结构包括：
1、高稳定度X 射线发生器及防护系统
2、测角仪（卧式或立式）
3、冷却循环水装置(一体或分体
4、数字化记录控制单元及探测器
5、衍射仪操作系统及应用分析软件包
6、高性能计算机及技术资料和配件
打开冷却水及XRD 衍射仪电源，前期预冷半小时，打开计算机，放入样品，打开衍射仪操作软件，设置参数后衍射仪进入工作，数据经探测器显示在衍射仪操作软件上，数据采集结束后，保存数据。
三、实验验数据及处理
（一）、温度对薄膜晶面生长的影响
根据实验数据将不同温度所镀相同材料做出同一坐标下射线衍射强度—2倍衍射角曲线图，从图中可以分析出各个晶面衍射强度随温度的变化趋势，在不同温度下所镀膜层，其某一晶面衍射强度不同，衍射强度越大，说明该温度越有利于该晶面的生长。具体图像及数据如下：
①、Grown BaF2 on Ag substrate（250℃、300℃，Cu 靶）
温度升高的过程中：
（1）、有利于BaF2（200）、（400 晶面的生长。猜想，在>300?C 存在一温度最有利于BaF2（200）、（400 晶面的生长。
（2）、抑制BaF2（111）、（311）晶面的生长。猜想在<250?C 存在一温度最利于BaF2（111）、（311）晶面的生长
（3）、温度升高对于BaF2（222）晶面则表现为基本相同。猜想，温度对BaF2（222）晶面生长几乎不影响，或者，250—300?C 之间存在一温度最利于或最不利于BaF2（222）晶面的生长。
②、Grow BaF2 on PbTe substrate (200℃、250℃、300℃、350℃，Cu 靶
温度升高的过程中：
（1）、有利于BaF2(111晶面的生长。猜想在>350?C 存在一温度最利于BaF2(111晶面的生长。
（2）、对于BaF2（222）表现为先增后稳定，在从200—250?C 有一个突增，而300?C 比250?C 明显减小，350?C 与300?C 几乎无异，猜想250?C 左右可能为最利于BaF2（222）生长的温度。
（3）、BaF2（511）晶面与BaF2（222）晶面表现相似，都是先增后减再稳定，猜想250?C 附近为BaF2（511）晶面的最适生长温度。
③、Grown BaF2 on Fe-si substrate（200℃、300℃、350℃，Cu 靶）
温度升高的过程中：（1）、有利于BaF2（200）、（222）晶面，Si （400）晶面和Fe2O3（104）晶面的生长。猜想，在>350?C 存在一温度最利于BaF2（200）、（222）晶面，Si （400）晶面和Fe2O3（104）晶面的生长。（2）、抑制BaF2（122）、（311）晶面的生长。猜想，在<200?C 存在一温度最利于BaF2（122）、（311）晶面的生长。（3）、温度升高对于BaF2（111）晶面则表现为先增大后减小，猜想在200—350?C 存在一温度最利于BaF2（111）晶面的生长。
④、Grow PbTe on BaF2 substrate (280℃、370℃、415℃，Mo 靶
5
温度升高的过程中：（1）、PbTe （400）晶面表现为先稳定后突然增大。猜想，在>415?C 存在一温度最利于PbTe （400）晶面的生长。（2）、PbTe （222）、（444）晶面表现先减小后增大，且温度为415?C 时衍射峰异常高，猜想在>415?C 存在一温度最利于PbTe （222）、（444）晶面的生长。
（二）、温度对晶粒大小的影响
根据图像，通过jade 软件，计算各个材料薄膜对应的衍射峰的半高宽；利用谢乐公式：Dc =0. 90λ/B cos θ（式中λ为x 光靶波长，B 为半高宽，θ为衍射角）计算各个晶面晶粒大小；并将相同材料相同衍射峰对应晶面的晶粒大小以图片形式予以比较，如下所示：
①、BaF2 on Ag substrate（Cu 靶）
6
表一：BaF2 on Ag（Cu 靶）在200℃、250℃下薄膜的衍射峰对应晶面的半高宽
表二：BaF2 on Ag（Cu 靶）在200℃、250
℃下薄膜的衍射峰对应晶面的晶粒大小
根据上图分析：温度升高，有利于BaF2（111）、（200）、（311）、（222）、（400）晶粒的长大。由此猜想，最利于BaF2（111）、（200）、（311）、（222）、（400）晶粒长大的温度为300?C 或更高。
②、BaF2 on Fe—Si substrate（Cu 靶）
7
表四：BaF2 on Fe-si（Cu 靶）在200℃、300℃、350℃下薄膜的衍射峰对应晶面的晶粒大
小
根据上图分析：（1）、温度升高，不利于BaF2（122）晶粒长大，猜想，最利于BaF2（122）晶粒长大的温度为200?C 或更低。
（2）、温度升高，BaF2（111）、（311）晶粒大小先增大后减小，猜想，250—350?C 之间存在某一温度最利于晶粒长大。
8
③、BaF2 on PbTe（Cu 靶）
晶粒大小
（注：200?C 下BaF2（222）、（511）晶面衍射强度太小，计算半高宽误差较大，因此该温度下数据不予采集。）
根据上图分析：
9
（1）、温度升高，不利于 BaF2（222）（511）晶粒的长大，猜想，最利于、 BaF2（222）（511）晶粒长大的温度为或更低。、（2）、温度升高，BaF2（111）晶粒大小先增大后减小，猜想 250—之间存在某一温度最利于 BaF2（111）晶粒长大。④、PbTe on BaF2 substrate（Mo 靶）温度
半高宽（度）（nm）（nm）晶面
0.171 0.456 0.178 22.790 0.147 0.206 0.137 26.365 0.296 0.661 0.271 46.635 表七：PbTe on BaF2（Mo 靶）在 280℃、370℃、415℃下薄膜的衍射峰对应晶面的半高宽温度晶粒大小晶面(hkl（h）（hkl） PbTe(222 PbTe(400 PbTe(444 280 370 415 218.209 81.828 209.628 255.564 182.369 274.219 100.578 60.255 146.969 表八：PbTe on BaF2（Mo 靶）在 280℃、370℃、415℃下薄膜的衍射峰对应晶面的晶粒大小 10
根据上图分析：温度升高，PbTe（222）（400）（444）晶粒大小先减小后增大，猜想最利、、于 PbTe（222）（400）（444）晶粒的长大的温度为
或；在 280 、、—之间存在一温度最不利于 PbTe（222）（400）（444）等晶粒的长大。、、（注：测晶粒大小时，B 会受仪器宽度 b 影响，使测出数据与真实值不符， h, k, l 但是实验主要观察晶粒大小变化规律，在此不作涉及 b 的复杂处理）四、实验总结①、该开放性实验历时近一个学期，实验中，主要以使用专业仪器测量样本为主，因为此项工作耗时最多，在此过程中，深入了解 XRD 衍射理论，并对样本制备的原则及理论要求有了较为深入的了解。
②、实验有不足之处，客观的讲，受到仪器、时间的限制，特别在对薄膜厚度、杂质等因素上没有深入的涉及，会影响到数据的准确性、严谨性以及科学性。③、在数据处理的过程中，学习了 origin 软件的图像处理及 jade 软件的测半高宽方法要领。并对数据的整理分析、趋势预测等有一定的涉及，从而对该方面的认识进一步加深。④、当然，该实验耗时较多，通过本实验的研究学习，培养了我和组员的耐心、细心、恒心，对以后的学习工作很有帮助；另外，实验的研究实践，使我们体会了科学探究的艰辛，发现真知的不易。⑤、在实验过程中，思想上会与组员发生必要的碰撞，也会引发一些争执，但是这些所谓的争执会让我们更好地解决一些问题，在此，我对我的组员表示感谢。另外，在实验过程的各个部分中，或多或少遇到一些问题，斯老师总会给予启发性、有实质性帮助的建议，在此，对斯老师的耐心指导表示感谢。【参考文献】 1、戚绍祺，胡萍春.晶粒大小的测定【J】.广州化学.2000（9）：33—38 2、黄清明,俞建长,吴万国.薄膜镀层的 XRD 分析【J】.福建大学学报.2004 (6:773-775 3、谢清连?，黄国华，潘吟松，黄自谦.XRD 在薄膜结构分析中常见问题的研究【J】.广西物理.2010（4）.15-18 11
实验讲义-半导体材料吸收光谱测试分析2015
半导体材料吸收光谱测试分析 一、实验目的 1.掌握半导体材料的能带结构与特点、半导体材料禁带宽度的测量原理与方法。 2.掌握紫外可见分光光度计的构造、使用方法和光吸收定律。 二、实验仪器及材料 紫外可见分光光度计及其消耗品如氘灯、钨灯，玻璃基ZnO薄膜。 三、实验原理 1.紫外可见分光光度计的构造、光吸收定律 (1)仪器构造：光源、单色器、吸收池、检测器、显示记录系统。 a．光源：钨灯或卤钨灯——可见光源，350~1000nm；氢灯或氘灯——紫外光源，200~360nm。 b．单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件 色散元件：棱镜——对不同波长的光折射率不同分出光波长不等距； 光栅——衍射和干涉分出光波长等距。 c．吸收池：玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区；石英——不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区。 要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致） d．检测器：将光信号转变为电信号的装置。如：光电池、光电管（红敏和蓝敏）、光电倍增管、二极管阵列检测器。 紫外可见分光光度计的工作流程如下： 0.575 光源单色器吸收池检测器显示双光束紫外可见分光光度计则为： 双光束紫外可见分光光度计的光路图如下：
(2)光吸收定律 单色光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律： x x e I I?- =α d t e I I?- =α 0(1) I0：入射光强；I x：透过厚度x的光强；I t：透过膜薄的光强；α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。 透射率T为： d e I I T?- = =α t (2) 则 d e T d? = =?α α ln ) /1 ln( 透射光I t
半导体材料硅的基本性质
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
半导体材料及特性
地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu 2 O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体：在元素周期表的Ⅲ A 族至Ⅶ A 族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中 即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。 无机化合物半导体： 四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。 -Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb 为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在 应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前 途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和 Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一 些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具 有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素C u、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I 化合物，其中CuBr、CuI ⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族
型半导体材料的设计与性能分析
景德镇陶瓷学院 半导体课程设计报告 设计题目n型半导体材料的设计与性能分析专业班级 姓名 学号 指导教师 完成时间
一﹑杂质半导体的应用背景 半导体中的杂质对电离率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，半导体中掺杂微量杂质时，杂质原子的附近的周期势场的干扰并形成附加的束缚状态，在禁带只能够产生的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。 一、N型半导体在本征半导提硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。 磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。 在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。 二、P型半导体在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占 据晶格上的某些位置。硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼
半导体材料的特性参数和要求
半导体材料的特性参数和要求有哪些? 半导体材料-特性参数 LED灯泡半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。 常用的半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。 禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。 电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。 非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。 位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。 位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料-特性要求 LED灯泡半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。 晶体管对材料特性的要求：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。 光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳电池来说，为了得到高的转
实验一 半导体材料的缺陷显示及观察资料讲解
实验一半导体材料的缺陷显示及观察
实验一半导体材料的缺陷显示及观察 实验目的 1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术； 2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性； 3．了解层错和位错的测试方法。 一、实验原理 半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。 半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。 在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。 位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。 位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。 二、位错蚀坑的形状 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
半导体材料能带测试及计算
半导体材料能带测试及计算 对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)： 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g； 2.VB XPS测得价带位置(E v)； 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置； 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势； 5.通过电负性计算得到能带位置. 图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样：
背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。 样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试： 用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-Vis DRS），采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法：截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（λg）决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系，可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作： 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。
半导体表征
为了满足各种半导体器件的需要，必需对材料的电学参数进行测量，这些参数一般为电 阻率、载流子浓度、导电类型、迁移率、寿命及载流子浓度分布等。测量方法有四探针 、三探针、扩展电阻、C-V 法及Hall 测量等。 对于半导体材料的电阻率，一般采用四探针、三探针和扩展电阻。 四探针法是经常采用的一种，原理简单，数据处理简便。测量范围为10-3-104 防 米， 能分辨毫米级材料的均匀性，适用于测量半导体材料、异型层、外延材料及扩散层、离 子注入层的电阻率，并能够提供一个迅速的、不破坏的、较准确的测量。 采用四探针法测量相同导电类型、低阻衬底的外延层材料的电阻率时，由于流经材料的 电流会在低阻衬底中短路，因此得到的是衬底与外延层电阻率并联的综合结果。这时， 需要采用三探针法、扩展电阻法等。 三探针法是利用金属探针与半导体材料接触处的反向电流-电压特性、测定击穿时的电压 来获得材料电阻率的知识的。 C-V 法利用PN 结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的 信息，这类测量称为C-V 测量技术。这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分 布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。虽然扩展电阻也能测量纵向分布 ，但它需将样品进行磨角。但是C-V 法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。 Hall 测量在半导体材料测量中，霍尔效应有着广泛的应用。用它来研究半导体材料导电过程或输 运现象。可提供材料的导电类型、载流子浓度、杂质电离能（包括深、浅能级杂质）、 禁带宽度、迁移率及杂质补偿度等信息。 测量霍尔系数判断样品的导电类型，载流子浓度。范德堡法测量电阻率 原理： 一矩形半导体薄片，当沿其x 方向通有均匀 电流I （如I AB ），沿Z 方向加有均匀磁感应强 度的磁场时，则在y 方向上产生电势差（ΔV CD ）。 这种现象叫霍尔效应。所生电势差用V H 表示， 称为霍尔电压，其相应的电场称为霍尔电场E y 。 实验表明，在弱磁场下，E y 同J （电流密度） 和B （磁场强度）成正比 E y =R H JB 式中R H 为比例系数，称为霍尔系数。 因此，将电流I 从A 点流入，B 点流出，测量C 、 D 两点电势差ΔV CD ，然后加上磁场，再测量V CD ’，得到霍尔电压V H =ΔV CD ，于是可以求出R H ：
霍尔效应及用其理论测量半导体材料的性能
本科毕业论文 题目：霍尔效应及用其理论测量 半导体材料的性能 学院：物理与电子科学院 班级： 09级物理二班 姓名：闫文斐 指导教师：付仁栋职称：讲师完成日期： 2013 年 5 月 15 日
霍尔效应及用其理论测量 半导体材料的性能 摘要：简述了霍尔效应的基本原理，测量判定半导体材料的霍尔系数，确定半导体材料的导电类型、载流子浓度及迁移率。因此，霍尔效应时研究半导体性质的重要实验方法。分析了利用霍尔效应测量半导体特性参数中影响的重要副效应，给出了减小或消除这些副效应的方法，并在实验中，对实验仪器进行了一定得改进，使实验更有利于操作。 关键字：霍尔效应；半导体；副效应；载流子；改进
目录 引言 (1) 1. 霍尔效应 (2) 1.1霍尔效应的基本原理 (2) 1 .2 霍尔电势差和磁场测量 (3) 2. 实验内容 (5) 2.1 确定霍尔元件的导电类型 (5) 2.2 霍尔灵敏度、霍尔系数、载流子浓度的测量 (6) 2.3实验数据的处理 (6) 3. 误差分析 (8) 3.1主要误差及原因 (8) 3.2 消除误差的方法 (9) 4. 实验的改进 (10) 4.2 霍尔元件载流子迁移率μ和电导率σ的测量 (11) 5. 结束语 (11) 致谢 (11) 参考文献 (11)
引言 霍尔效应是电磁效应在实验中的应用的一中，这是美国的一位伟大的物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）发现的，于1879年在探索金属的导电原理时偶然发明的。将载流霍尔元件置于与其垂直的磁场B中，板内出现的磁场会与电流方向垂直，同样的，板的两边就会出现一个横向电压（如图1）。在霍尔发现的100年后，1985年德国克利青( K laus von K litzing，1943-)等研究极低温度和强磁场中的半导体时发现量子霍尔效应获得诺贝尔奖。1998年华裔科学家崔琦（Daniel Chee Tsui，1939-）、斯坦福大学的美国物理学家劳克林（Robert https://www.360docs.net/doc/1810464168.html,ughlin，1950-）和哥伦比亚大学的施特默（Horst L.Stormer，1949-）在更强磁场下研究量子霍尔效应，因为发现分数量子霍尔效应而荣获诺贝尔奖。 霍尔效应原本的发现是在对金属的研究中, 但在科学发展到现在，却发现该效应在半导体中的应用更加突出, 所以在半导体的研究中一直以来提供非常重要的理论依据。本文通过霍尔效应测量，不仅判别了半导体材料的导电类型，霍尔系数、载流子浓度及迁移率和电导率等主要的半导体材料的特性参数。并在分析操作中因受各种副效应的影响，带来的测量准确度的影响，如何避免这些副效应的影响也是很必要的。因此，本文还对我们的实验元件做了很好的改进，可以通过实验测量的方法直接得到我们所需要的迁移率和电导率。
半导体材料能带测试及计算
半导体材料能带测试及计算对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)： 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g； 2.VB XPS测得价带位置(E v)； 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置； 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势； 5.通过电负性计算得到能带位置.
图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样： 背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。 样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试：
用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-Vis DRS），采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法：截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（λg）决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系，可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作： 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。 2. 根据(αhv)1/n = A(hv – Eg)，其中α为吸光指数，h为普朗克常数，v为频率，Eg为半导体禁带宽度，A为常数。其中，n与半导体类型相关，直接带隙半导体的n取1/2，间接带隙半导体的n为2。
实验一半导体材料的缺陷显示及观察
实验一半导体材料的缺陷显示及观察 实验目的 1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术； 2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性； 3．了解层错和位错的测试方法。 一、实验原理 半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。 半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。 在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。 位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。 位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。 二、位错蚀坑的形状 当腐蚀条件为铬酸腐蚀剂时，<100>晶面上呈正方形蚀坑，<110>晶面上呈菱形或矩形蚀坑，<111>晶面上呈正三角形蚀坑。（见图1）。
半导体的基本特性
半導體的基本特性 自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體。顧名思義，半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。半導體的種類很多，有屬於單一元素的半導體如矽（Si）和鍺（Ge），也有由兩種以上元素結合而成的化合物半導體如砷化鎵（GaAs）和砷磷化鎵銦（GaxIn1-xAsyP1-y）等。在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。 電子在半導體內的能階狀況，可用量子力學的方法加以分析。在高能量的導電帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一導電帶內。最低能區（Ev以下）稱為「價帶」，被價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。導電帶和價帶之間是一沒有能階存在的「禁止能帶」（或稱能隙，Eg），在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。 在絕對溫度的零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的價鍵完整無損，所有電子都被價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子占滿，而導電帶則完全空著。價電子欲脫離價鍵的束縛而成為自由電子，必須克服能隙Eg，提升自己的能階進入導電帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。 近導電帶，而游離後的施體離子則帶正電。這種半導體稱為n型半導體，其費米能階EF比較靠近導電帶。一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主要載子（或稱多數載子）。
1. 導電性介於導體和半導體之間的物體,稱為半導體 2. 此物體需要高溫和高電量才能通電的物體. 3.在溫度是0和電導率是0,當溫度上升後,價能帶內的電子,由於熱激發躍進到導帶,致使導帶內充滿一些電子,導電率隨之增加----------這就是半導體. #半導體的特性: 1. 溫度上升電阻下降的特性 2. 整流效應 3 光伏特效應 4. 光電導效應
半导体电阻率的测量
半导体电阻率的测量 半导体材料的电阻率，是判断材料掺杂浓度的一个主要参数，它反映了补偿后的杂质浓度，与半导体中的载流子浓度有直接关系。 最早用来测量电阻率P的方法是用一个已知尺寸的矩形样品来测量电阻尺，直接利用ρ=(V·S)／(I·L)得到电阻率，但对于半导体材料，这样测量的电阻率将包括一个不可忽略的接触电阻项。 金属探针与半导体相接触的地方有很大的接触电阻，这个电阻甚至远远超过半导体本身的体电阻。因此不能用直接法测量半导体材料的电阻率。常用的接触式测量半导体材料电阻率的方法主要有如下几种：两探针法；三探针法；四探针法；单探针扩展电阻法；范德堡法。在这篇文章中，我们将主要介绍各种测量半导体电阻率的方法。 （一）两探针法 两探针法的主要想法，是利用探针与体电阻直接接触，避免了与测试电阻的接触从而消除误差。试样为长条形或棒状，且视为电阻率均匀分布。
利用高阻抗的电压计测量电阻上的电压从而得到流过半导体的电流，再利用电压计测得半导体上流过单位长度的电压压降，再测得长度L，从而得到ρ=（V*S）/(I*L)，S为试样表面积。 （二）三探针法 三探针法适用于测量相同导电类型，低阻衬底的外延层材料的电阻率。该方法是利用金属探针与半导体材料接触处的反向电流．电压特性、测定击穿时的电压来获得材料电阻率的知识的。金半接触反向偏置时，外电压几乎全部降在接触处，空间电荷区中电场很大，载流子在电场作用下与晶格原子发生碰撞电离。随着外电场增加，发生雪崩击穿，击穿电压与掺杂浓度有关，具体关系由经验公式给出，再根据电阻率与杂质浓度的关系图线，从而可以得到材料的电阻率。 （三）四探针法 直线四探针法是用针距约为1毫米的四根探针同时压在样品的平整表面上，。利用恒流源给l、4探针通以一个小电流，然后用高输入阻抗的电位差计、电子毫伏计或数字电压表测量电压。 利用高阻值电压计测得2、3探针间的电压值， 从而根据公式ρ=V23 *C/I。C为探针系数是常数，I 则为流过半导体的电流大小。四探针法比二探针 法好，它可以测量样品沿径向分布的断面电阻率。 （四）单探针拓展电阻法 单探针扩展电阻法适用于测量体材料的微区均匀性及外延材料、多层结构或扩展层等材料的电阻率或电阻率分布。此法可以确定体积为10-10厘米3的区域的电阻率。这种方法是利用一根金属锇(或钨钴合金)尖探针来探测样品表面电阻率的。要求探针材料硬度大并且耐
半导体材料的发展
半导体材料的发展文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）
一，半导体材料（semiconductor material） 引言 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电阻率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代，锗在半导体中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化铟、锑化铟、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。3.无定形半导体材料用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十
半导体材料测量原理与方法
半导体材料测量(measurement for semiconductor material) 用物理和化学分析法检测半导体材料的性能和评价其质量的方法。它对探索新材料、新器件和改进工艺控制质量起重要作用。在半导体半barl材料制备过程中，不仅需要测量半导体单晶中含有的微量杂质和缺陷以及表征其物理性能的特征参数，而且由于制备半导体薄层和多层结构的外延材料，使测量的内容和方法扩大到薄膜、表面和界面分析。半导体材料检测技术的进展大大促进了半导体科学技术的发展。半导体材料测量包括杂质检测、晶体缺陷观测、电学参数测试以及光学测试等方法。 杂质检测半导体晶体中含有的有害杂质，不仅使晶体的完整性受到破坏，而且也会严重影响半导体晶体的电学和光学性质。另一方面，有意掺入的某种杂质将会改变并改善半导体材料的性能，以满足器件制造的需要。因此检测半导体晶体中含有的微量杂质十分重要。一般采用发射光谱和质谱法，但对于薄层和多层结构的外延材料，必须采用适合于薄层微区分析的特殊方法进行检测，这些方法有电子探针、离子探针和俄歇电子能谱。半导体晶体中杂质控制情况见表1。 表1半导体晶体中杂质检测法 晶体缺陷观测半导体的晶体结构往往具有各向异性的物理化学性质，因此，必须根据器件制造的要求，生长具有一定晶向的单晶体，而且要经过切片、研磨、抛光等加工工艺获得规定晶向的平整而洁净的抛光片作为外延材料或离子注入的衬底材料。另一方面，晶体生长或晶片加工中也会产生缺陷或损伤层，它会延伸到外延层中直接影响器件的性能，为此必须对晶体的结构及其完整性作出正确的评价。半导体晶体结构和缺陷的主要测量方法见表2。 表2半导体晶体结构和缺陷的主要测量方法
导体的特性
3.2 导体的特性 1.导体的定义 2.静电场中的导体 3.恒定电场中的导体 4.导电材料的物态方程 5.导体的电导率
1. 导体的定义：含有大量可以自由移动的带电粒子的物质。导体分为两种金属导体：电解质导体：由自由电子导电。 由带电离子导电。 2. 静电场中的导体静电平衡状态的特点： （1）导体为等位体；（2）导体内部电场为零； （3）导体表面的电场处处与导体表面垂直，切向电场为零； （4）感应电荷只分布在导体表面上，导体内部感应电荷为零。 (0)V ρ=++++++ ------E 外 E 内
3. 恒定电场中的导体 将一段导体与直流电源连接，则导体内部会存在恒定电场。其平均电子速度称为漂移速度： d e E νμ=-式中：称为电子的迁移率， 其单位为。e μ2(m /V s)?如图： 单位时间内通过的电量为： d S e d d =d d q I N e S t ν=-式中：为自由电子密度。 e N 故电流密度为：C e d J N e ν=-C e e J N e E μ=可得：
C e e J N e E μ=e e N e σ μ=若设：C J E σ=则： 描述导电材料的电磁特性的物态方程。 导体的电导率 4. 导电材料的物态方程
5. 导体的电导率 电导率是表征材料导电特性的一个物理量。 电导率除了与材料性质（如，）有关外，还与环境温度有关。e N e μ(1)导体材料： 随着温度的升高，金属电导率变小。有些导体在低温条件下电导率非常大,使电阻率趋向于零，变成超导体。 如铝在时时，就呈现超导状态。1.2K 不同材料的电导率数据见教材。 (2)半导体材料： 随着温度的升高，电导率明显增大。 e e h h N e N e σμμ+=
半导体C-V测量基础
半导体C-V测量基础 作者：Lee Stauffer 时间：2009-07-29 来源:吉时利仪器公司 C-V测量为人们提供了有关器件和材料特征的大量信息 通用测试 电容-电压（C-V）测试广泛用于测量半导体参数，尤其是MOSCAP和MOSFET结构。此外，利用C-V测量还可以对其他类型的半导体器件和工艺进行特征分析，包括双极结型晶体管（BJT）、JFET、III-V族化合物器件、光伏电池、MEMS器件、有机TFT显示器、光电二极管、碳纳米管（CNT）和多种其他半导体器件。 这类测量的基本特征非常适用于各种应用和培训。大学的研究实验室和半导体厂商利用这类测量评测新材料、新工艺、新器件和新电路。C-V测量对于产品和良率增强工程师也是极其重要的，他们负责提高工艺和器件的性能。可靠性工程师利用这类测量评估材料供货，监测工艺参数，分析失效机制。 采用一定的方法、仪器和软件，可以得到多种半导体器件和材料的参数。从评测外延生长的多晶开始，这些信息在整个生产链中都会用到，包括诸如平均掺杂浓度、掺杂分布和载流子寿命等参数。在圆片工艺中，C-V测量可用于分析栅氧厚度、栅氧电荷、游离子（杂质）和界面阱密度。在后续的工艺步骤中也会用到这类测量，例如光刻、刻蚀、清洗、电介质和多晶硅沉积、金属化等。当在圆片上完全制造出器件之后，在可靠性和基本器件测试过程中可以利用C-V测量对阈值电压和其他一些参数进行特征分析，对器件性能进行建模。 半导体电容的物理特性 MOSCAP结构是在半导体制造过程中形成的一种基本器件结构（如图1所示）。尽管这类器件可以用于真实电路中，但是人们通常将其作为一种测试结构集成在制造工艺中。由于这种结构比较简单而且制造过程容易控制，因此它们是评测底层工艺的一种方便的方法。
半导体材料导电类型的测定
实验1 半导体材料导电类型的测定 1．实验目的 通过本实验学习判定半导体单晶材料导电类型的几种方法。 2．实验内容 用冷热探针法和三探针法测量单晶硅片的导电类型。 3．实验原理 3.1 半导体的导电类型是半导体材料重要的基本参数之一。在半导体器件的生产过程中经常要根据需要采用各种方法来测定单晶材料的导电类型。测定材料导电类型的方法有很多种，这里介绍常用的几种测定导电类型的方法，即冷热探针法、单探针点接触整流法和三探针法。 3.1.1 冷热探针法 冷热探针法是利用半导体的温差电效应来测定半导体的导电类型的。在图1a中，P型半导体主要是靠多数载流子——空穴导电。在P型半导体未加探针之前，空穴均匀分布，半导体中处处都显示出电中性。当半导体两端加上冷热探针后，热端激发的载流子浓度高于冷端的载流子浓度，从而形成了一定的浓度梯 度。于是，在浓度梯度的驱使下，热端的空穴就 向冷端做扩散运动。随着空穴不断地扩散，在冷 端就有空穴的积累，因而带上了正电荷，同时在 热端因为空穴的欠缺(即电离受主的出现)而带上 了负电荷。上述正负电荷的出现便在半导体内部 形成了由冷端指向热端的电场。于是，冷端的电 势便高于热端的电势，冷热两端就形成了一定的 电势差，这一效应又称为温差电效应，这个电势 差又称为温差电势。如果此时在冷热探针之间接 入检流计，那么，在外电路上就会形成由冷端指 向热端的电流，检流计的指针就会向一个方向偏 转。从能带的角度来看，在没有接入探针前，半 导体处于热平衡状态，体内温度处处相等，主能 带是水平的，费米能级也是水平的。在接入探针 以后，由于冷端电势高于热端电势，所以冷端主 能带相对于热端主能带向下倾斜，同时由于冷端 温度低于热端，故热端的费米能级相对于冷端的 费米能级来说，距离价带更远，如图1b所示。 如果我们将上述的P型半导体换成N型半导 体，则电子做扩散运动，在冷端形成积累。由于
半导体的导电特性及其应用
半导体的导电特性及其应用 半导体是现代信息化工业的基础，可以利用半导体材料制作电子器件和集成电路，这些都是信息技术的基础，其材料的研发和制作大大的促进了现代社会信息化的飞速发展。半导体的种类也多种多样。本文将主要介绍半导体的相关基础概念、半导体的导电特性及其应用。 關键词：半导体导体特性导电性PN结 引言 [1]1990年以前的半导体材料主要以硅材料为主，几乎完全垄断着整个电子行业。目前的很多半导体相关电子器件也主要是用硅材料制作的。硅材料相关电子器件的发展完全决定和导致了微型计算机的出现和发展甚至整个信息产业的飞跃。随着社会信息化的发展，除了硅材料以外的砷化镓、磷化铟、氮化镓等半导体材料也在电子行业展露头角，其相较硅材料的各种优势也逐渐被人们发现，当然其不足也同样存在。 一、半导体的基本概念 从材料的导电与否可以分为导体、绝缘体和半导体。而半导体，则通常是指其导电性能在导体与绝缘体之间，其导电性可被人为控制。 原子的最外层电子受到激发，会形成自由电子，电子逃离后变成了空穴。半导体中有两种载流子——自由电子和空穴。[2]其中半导体又分为N型半导体和P型半导体。P型半导体通常又可以称为空穴半导体，因为其是指通过空穴导电的半导体，在纯净的晶体硅中掺入三价的原子，掺入的原子取代硅原子在晶格中的位置，会形成空穴，当然掺入的原子越多，形成的空穴则越多，导电性就会越好；N型半导体也可以称为电子半导体，因为其是指依靠自由电子导电的半导体，在纯净的晶体硅中掺入五价原子，掺入的原子取代硅原子在晶格中的位置，会形成自由电子，当然掺入的原子越多，形成的自由电子则越多，导电性就会越好。但通常空穴的多少还取决于温度，而自由电子的浓度取决于掺入的原子浓度。 [3]单一的P型半导体或者单一的N型半导体都仅能做电阻使用，用处都不大，通常是将二者结合在一起使用。当二者相互接触时，其交界区域成为PN结。 二、半导体的导电特性 [4]纯净的半导体材料在温度很低（绝对零度左右）时，价电子被束缚得很紧，内部几乎完全没有电子可以移动，也就是没有载流子可以导电，这种情况下的半导体材料的导电性接近绝缘体。但半导体材料的特别之处就是，其导电能力会随着外加条件的改变而改变。即前面提过的导电能力可控性。
半导体材料测试技术
常规材料测试技术 一、适用客户： 半导体，建筑业，轻金属业，新材料，包装业，模具业，科研机构，高校，电镀，化工，能源，生物制药，光电子，显示器。 二、金相实验室 ? Leica DM/RM 光学显微镜 主要特性：用于金相显微分析，可直观检测金属材料的微观组织，如原材料缺陷、偏析、初生碳化物、脱碳层、氮化层及焊接、冷加工、铸造、锻造、热处理等等不同状态下的组织组成，从而判断材质优劣。须进行样品制备工作，最大放大倍数约1400倍。 ? Leica 体视显微镜 主要特性： 1、用于观察材料的表面低倍形貌，初步判断材质缺陷； 2、观察断口的宏观断裂形貌，初步判断裂纹起源。 ? 热振光模拟显微镜 ? 图象分析仪 ? 莱卡DM/RM 显微镜附CCD数码照相装置 三、电子显微镜实验室 ? 扫描电子显微镜(附电子探针) (JEOL JSM5200，JOEL JSM820，JEOL JSM6335) 主要特性： 1、用于断裂分析、断口的高倍显微形貌分析，如解理断裂、疲劳断裂（疲劳辉纹）、晶间断裂（氢脆、应力腐蚀、蠕变、高温回火脆性、起源于晶界的脆性物、析出物等）、侵蚀形貌、侵蚀产物分析及焊缝分析。 2、附带能谱，用于微区成分分析及较小样品的成分分析、晶体学分析，测量点阵参数/合金相、夹杂物分析、浓度梯度测定等。 3、用于金属、半导体、电子陶瓷、电容器的失效分析及材质检验、放大倍率：10X—300,000X；样品尺寸：0.1mm—10cm；分辩率:1—50nm。 ? 透射电子显微镜（菲利蒲CM-20,CM-200） 主要特性： 1、需进行试样制备为金属薄膜，试样厚度须<200nm。用于薄膜表面科学分析，带能谱，可进行化学成分分析。 2、有三种衍射花样：斑点花样、菊池线花样、会聚束花样。斑点花样用于确定第二相、孪晶、有序化、调幅结构、取向关系、成象衍射条件。菊池线花样用于衬度分析、结构分析、相变分析以及晶体精确取向、布拉格位移矢量、电子波长测定。会聚束花样用于测定晶体试样厚度、强度分布、取向、点群 ? XRD-Siemens500—X射线衍射仪