溫度對半導(dǎo)體的電壓電流影響試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn) 溫度、光對半導(dǎo)體導(dǎo)電特性的影響一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c意義無論是半導(dǎo)體單晶材料、PN結(jié)、還是器件，其電學(xué)特性（如：電阻率p、 I-V曲線、載流子遷移率科）均受溫度、光（輻射）影響，因此，從原理上講，半導(dǎo)體產(chǎn)品的應(yīng)用受環(huán)境 溫度、輻射限制大。所以在設(shè)計(jì)、使用半導(dǎo)體產(chǎn)品時(shí)必須考慮環(huán)境因素。通過本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對半導(dǎo)體導(dǎo)電性理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)際動(dòng)手操作，觀察現(xiàn)象，進(jìn)行理論分析的能力。二.實(shí)驗(yàn)原理1.電阻率的測量：設(shè)樣品電阻率P均勻，樣品幾何尺寸相對于探針間的距離可看成半無窮大。引入點(diǎn)電流 源的探針其電流強(qiáng)度為 I,則所產(chǎn)生的電力線有球面對稱性，即等位面是以點(diǎn)電流源為中心 的半

2、球面，如圖1-1所示。在以r為半徑的半球上，電流密度 j的分布是均勻的。圖1-1探針與被測樣品接觸點(diǎn)的電流分布(1-1 )若E為r處的電場強(qiáng)度，則(1-2)取r為無窮遠(yuǎn)處的電位 財(cái)零，并利用d “一，則有:取r為無窮遠(yuǎn)處的電位 財(cái)零，并利用d “一，則有:dr(r)rdEdrI r dr2 r2(1-3)(1-4)式（1-2 ）就是半無窮大均勻樣品上離開點(diǎn)電流源距離r的點(diǎn)的電位與探針流過的電流和樣品電阻率的關(guān)系式，它代表了一個(gè)點(diǎn)電流對距離為r處的點(diǎn)的電勢的貢獻(xiàn)。圖1-2四根探針與樣品接觸示意圖對于圖1-2所示的情形，四根探針位于樣品中央，電流從探針1流入，從探針4流出,則可將1則可將1和4探針

3、認(rèn)為是點(diǎn)電流源,1-3 ）得到探針2和3的電位為:121224(1-5)r13r13(1-6)探針2探針2、3電位差為：V233,由此得出樣品電阻率為:2 V231Ir12r242 V231Ir12r24r13r34_V23C(1-7)I式（1-7）就是利用直流四針探法測量電阻率的普遍公式。當(dāng)電流取I=C 時(shí)，則有 p=V23,可由數(shù)字電壓表直接讀出電阻率。實(shí)際測量中，最常用的是直線四探針。即四根探針位于同一直線上，并且間距相等，設(shè)相鄰兩探針間距為 S,則半無窮大樣品有:通常只要滿足樣品的厚度,2 S 6.28S(1-8)以及邊緣與探針的最近距離大于四倍探針間距,通常只要滿足樣品的厚度,2 S

4、 6.28S(1-8)以及邊緣與探針的最近距離大于四倍探針間距,樣品近似半無窮大，能滿足精度要求。.塊狀和棒狀樣品的電阻率四探針測試儀探針間距均為窮大邊界條件，有 C=2兀，因此,1mm ,塊狀和棒狀樣品外形尺寸與探針間距比較，符合半無 只要l=6.28lo, I四探針測試儀探針間距均為窮大邊界條件，有 C=2兀，因此,數(shù)值就是電阻率。.片狀樣品的電阻率片狀樣品其厚度與探針間距比較，不能忽略，測量時(shí)要提供對樣品的厚度、測量位置的 修正系數(shù)。(1-9)c W c d(1-9)0G D S S式中：3為半無窮樣品的電阻率;G W 為樣品厚度 W與探針間距S的修正函數(shù)，可S式中：3為半無窮樣品的電阻

5、率;d 由附錄1查得；D 一 為樣品形狀和測量位置的修正函數(shù)，可由附錄 2查得。當(dāng)圓形硅片S，、“ W 一的厚度滿足一 0.5時(shí)，有:S(1-10 )V4.53-W(1-10 )I2.由p-T曲線可知溫度對電阻率影響很大，實(shí)驗(yàn)測得的高阻單晶硅片與摻雜單晶硅片p-T曲線完全不同，這可由電阻率公式說明：1本征半導(dǎo)體電阻率 pi： i (2-1)Qq( n p)1摻雜半導(dǎo)體電阻率 P : (2-2)nq n pq p)本征半導(dǎo)體電阻率由載流子濃度ni決定，ni隨溫度上升而急劇增加，室溫附近，溫度每增加8C,硅白n ni就增加一倍，因?yàn)檫w移率只稍有下降， 所以電阻率將相應(yīng)地降低一半左右。300K時(shí)，p

6、i 約為 2.3*10 5 cm對摻雜半導(dǎo)體，有雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個(gè)因素存在，由有電離雜質(zhì)散射和晶格散射， 兩種散射機(jī)構(gòu)的存在，因而，復(fù)雜。圖 2-1是摻雜單晶硅p -T曲線示意圖。P個(gè)-P個(gè)-本征半導(dǎo)體工C極架半導(dǎo)體T圖2-1 Si的p-T曲線示意圖溫度較低時(shí)，本征激發(fā)可忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供， 它隨著溫度升高，而增加； 散射主要由電離雜質(zhì)決定，遷移率隨溫度升高也增大，所以，p-T曲線下降（AB段）。溫度繼續(xù)升高，雜質(zhì)已全部電離，本征激發(fā)還不顯著，載流子基本不變，而晶格振動(dòng)散射成為主要影響因素，遷移率雖溫度升高而降低，所以，p -T曲線上升（BC段）。溫度繼續(xù)升高，本 征激發(fā)很快增

7、加，本征載流子的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遷移率減小對電阻率的影響，本征激發(fā)成為最主要影響因素，表現(xiàn)出與本征半導(dǎo)體相似的特性（CD段）。三.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)生自行設(shè)計(jì)一半導(dǎo)體材料、芯片或器件的電學(xué)特性隨環(huán)境溫度或光注入變化的實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下，進(jìn)行測試，并對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析、討論，給出合理的理 論解釋。四.實(shí)驗(yàn)樣品與儀器SZ82四探針測試儀，晶體管特性圖示儀，YY2814LCRB動(dòng)測試儀，調(diào)溫探針臺(tái)，溫控儀，白熾燈等，高阻單晶硅片，摻雜單晶硅片，pn芯片，晶體管、二極管。五.實(shí)驗(yàn)步驟以半導(dǎo)體電阻率隨溫度的變化為例：1、實(shí)驗(yàn)方法采用SZ82四探針測試儀，溫控儀，測量高阻單晶硅片、摻雜單晶硅片的電阻率

8、隨溫度的變化，即做出電阻率-溫度（p-T）曲線，對比高阻單晶硅與摻雜單晶硅p-T曲線的不同。2、測試數(shù)據(jù)：按實(shí)驗(yàn)五調(diào)試四探針儀， 硅片置于溫控儀測試臺(tái)上， 從室溫開始升溫，每隔幾C測一組（P , T）值，分別列表記錄測試結(jié)果，繪出高阻單晶硅片與摻雜單晶硅片的p-T曲線。由室溫電阻率與硅摻雜濃度關(guān)系（附表p -n曲線），得到硅片樣品的雜志濃度含量。六.數(shù)據(jù)處理記錄摻雜半導(dǎo)體電阻率隨溫度變化數(shù)據(jù)，畫出p-T圖，分析誤差。PT數(shù)據(jù)圖反映的是上圖BC段，電阻率隨溫度上升而上升。BC段雜質(zhì)已進(jìn)入強(qiáng) 電離區(qū)，本征激發(fā)不顯著，載流子濃度基本不變，晶格振動(dòng)散射成為主要的影響 因素，隨溫度升高晶格振動(dòng)散射加劇，遷移率隨溫度的升高而降低，故p -T曲線 呈上升趨勢（BC段）。)M ,Q由于AB段溫度太低，CD溫度太高，由于實(shí)驗(yàn)儀器的工作溫度限制，上述兩段超出測量范圍，所以沒有反映出 AB段、C而趨勢的數(shù)據(jù)。七.討論題實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析。電阻率測量誤差：實(shí)驗(yàn)設(shè)備接觸不好，接觸過松會(huì)產(chǎn)生放電對實(shí)驗(yàn)設(shè)備如探針造成損壞，過緊會(huì)產(chǎn)生形變，影響載流子的分布；邊緣不完全垂直于探針，使探針間間距有差異，從而導(dǎo)致電壓分布的差異；零位的波動(dòng)影響，輸入電流為0時(shí)，輸出不為0；以及樣品或測量檔位的不對稱也可能導(dǎo)致零位變化，從而影響測量結(jié)果。溫度測量誤差：實(shí)驗(yàn)儀器