《半导体物理与器件》实验教学大纲审核：王新练编写：张凤玲半导体物理与器件课程名称课程编码1302205学分适用专业应用物理学8学时考核形式先修课程开课学期第6学期一、课程简介《半导体物理与器件》实验是应用物理专业课程《半导体物理与器件》的相应实践教学环节，是该课程的课内实验部分。二、课程实验教学目的与要求通过对基本的半导体物理参量和半导体器件特性的测量与观察，培养学生的实验操作能力和解决实际问题的能力；培养学生实事求是、理论联系实际的科学作风，加深对半导体物理与器件相关理论的理解。三、实验项目1.耳效应测半导体中的载流子浓度及载流子迁移率实验目的任务：1）了解霍耳效应实验原理，掌握测量霍耳系数和电导率的实验方法：2）会根据测试数据判断出半导体样品的导电类型：3）会计算半导体样品的载流子浓度及载流子迁移率。实验原理：1）固定励磁电流（400mA）测量霍尔电压与工作电流的关系曲线：IBUH=-KHIBend1KH=end称为霍耳元件的灵敏度，则载流子浓度式中11n=p=KμedKhed11U=KHBV载流子迁移率
《半导体物理与器件》实验教学大纲 编写： 张凤玲 审核：王新练 一、课程简介 《半导体物理与器件》实验是应用物理专业课程《半导体物理与器件》的相应实践教学 环节，是该课程的课内实验部分。 二、课程实验教学目的与要求 通过对基本的半导体物理参量和半导体器件特性的测量与观察，培养学生的实验操作能 力和解决实际问题的能力；培养学生实事求是、理论联系实际的科学作风，加深对半导体物 理与器件相关理论的理解。 三、实验项目 1. 霍耳效应测半导体中的载流子浓度及载流子迁移率 实验目的任务： 1）了解霍耳效应实验原理，掌握测量霍耳系数和电导率的实验方法； 2）会根据测试数据判断出半导体样品的导电类型； 3）会计算半导体样品的载流子浓度及载流子迁移率。 实验原理： 1）固定励磁电流（400mA）测量霍尔电压与工作电流的关系曲线； K IB end IB UH = − = H 式中 end K H 1 = − 称为霍耳元件的灵敏度，则载流子浓度 K ed n H 1 = − ， K ed p H 1 = − 载流子迁移率 V I b l = K H 课程编码 1302205 课程名称 半导体物理与器件 适用专业 应用物理学 学分 考核形式 学时 8 先修课程 开课学期 第 6 学期
实验内容：测霍尔元件的载流子浓度1）调节“励磁电流”旋钮使励磁电流为400毫安。调节工作电流丨为2.00、3.00.…毫安（间隔为1.00mA)记录霍耳电压，描绘U-1曲线，求斜率：2）根据所测数据，判断霍尔实验样品的导电类型（P或N型）。3）根据所给出的样品参数和磁场参数以及所测数据，计算半导体样品的载流子浓度。测霍尔元件的载流子迁移率1）调节工作电流1为2.00、3.00毫安（间隔为1.00mA），记录对应的根据所测数据，判断霍尔实验样品的导电类型（P或N型）。输入电压V；描绘V-I曲线；2)根据所给出的样品参数和磁场参数以及所测数据，计算半导体样品的载流子迁移率。2.PN结二极管伏安特性的测试实验目的：1.掌握PN结二极管单向导电性的基本原理：2.针对二极管的非线性特点，要求同学们根据实验任务要求，确定实验方案，选择实验仪器，设计实验线路，做好测试工作，画出二极管的伏安特性曲线。实验仪器：通用示波器、多量程电压表和电流表、万用表、微安表、稳压电源、滑线电阻、各种开关、锗型和硅型二极管。3.PN结正向压降和温度关系的研究和应用实验目的：了解PN结正向压降随温度变化的性质：学习用PN结测量温度的方法；在恒定正向电流条件下，测绘PN结正向压降随温度变化的曲线，并由此确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。实验原理：PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式为--(n)-I"=++V.V,= V(o)g(0)q"q
实验内容： 测霍尔元件的载流子浓度 1）调节“励磁电流”旋钮使励磁电流 s I 为 400 毫安。调节工作电流 I 为 2.00、3.00. 毫安(间隔为 1.00mA)记录霍耳电压,描绘 U I H − 曲线，求斜率； 2）根据所测数据，判断霍尔实验样品的导电类型（P 或 N 型）。 3）根据所给出的样品参数和磁场参数以及所测数据，计算半导体样品的载流子浓度。 测霍尔元件的载流子迁移率 1）调节工作电流 I 为 2.00、3.00.毫安(间隔为 1.00mA)，记录对应的 根据所测数据，判断霍尔实验样品的导电类型（P 或 N 型）。输入电压 V；描绘 V I − 曲 线; 2）根据所给出的样品参数和磁场参数以及所测数据，计算半导体样品的载流子迁移率。 2. PN 结二极管伏安特性的测试 实验目的： 1.掌握 PN 结二极管单向导电性的基本原理； 2. 针对二极管的非线性特点，要求同学们根据实验任务要求，确定实验方案，选择实 验仪器，设计实验线路，做好测试工作，画出二极管的伏安特性曲线。 实验仪器: 通用示波器、多量程电压表和电流表、万用表、微安表、稳压电源、滑线电阻、各种开 关、锗型和硅型二极管。 3. PN 结正向压降和温度关系的研究和应用 实验目的： 了解 PN 结正向压降随温度变化的性质；学习用 PN 结测量温度的方法；在恒定正向电流 条件下，测绘 PN 结正向压降随温度变化的曲线，并由此确定其灵敏度及 PN 结材料的禁带宽 度。 实验原理： PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式为： F g (0) 1 1 F ( ln ) ln n k C kT r V V T T V V q I q = − − = +
在恒流供电条件下，PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的理论依据。实验仪器：DH-PN-1型PN结正向压降温度特性实验仪实验内容：1）测定△V-T曲线2）求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV/T）3）估算被测PN结材料的禁带宽度4.热氧化方法生长二氧化硅实验目的：了解二氧化硅薄膜的结构和性质；了解热氧化方法制备二氧化硅薄膜设备的结构、工作原理、操作规程：掌握热氧化方法制备二氧化硅薄膜的工艺。实验主要仪器设备及材料纯水机、超声波清洗机、氧化炉、石英舟、石英钩；酒精、丙酮、1号和2号清洗液、单晶硅片、氧气等。实验内容：1)硅片的清洗处理；2)确定炉温，使炉温上升到所设定的温度；3)采用热氧化方法在单晶硅衬底上生长二氧化硅：4)取出硅片，观察硅衬底表面二氧化硅薄膜的表面情况，测量二氧化硅的厚度，分析影响薄膜质量的因素。5.四探针法测量电阻率实验目的：掌握四探针法测量电阻率的基本原理和方法，以及具有各种几何形状样品的修正：分析影响测量结果的各种因素。实验原理：
在恒流供电条件下，PN 结的 VF 对 T 的依赖关系取决于线性项 V1，即正向压降几乎随温 度升高而线性下降，这就是 PN 结测温的理论依据。 实验仪器： DH-PN-1 型 PN 结正向压降温度特性实验仪 实验内容： 1）测定 − V T 曲线 2）求被测 PN 结正向压降随温度变化的灵敏度 S（mV/T) 3）估算被测 PN 结材料的禁带宽度 4. 热氧化方法生长二氧化硅 实验目的: 了解二氧化硅薄膜的结构和性质；了解热氧化方法制备二氧化硅薄膜设备的结构、工作 原理、操作规程；掌握热氧化方法制备二氧化硅薄膜的工艺。 实验主要仪器设备及材料 纯水机、超声波清洗机、氧化炉、石英舟、石英钩；酒精、丙酮、1 号和 2 号清洗液、 单晶硅片、氧气等。 实验内容: 1)硅片的清洗处理； 2)确定炉温，使炉温上升到所设定的温度； 3)采用热氧化方法在单晶硅衬底上生长二氧化硅； 4)取出硅片，观察硅衬底表面二氧化硅薄膜的表面情况，测量二氧化硅的厚度，分析影 响薄膜质量的因素。 5. 四探针法测量电阻率 实验目的: 掌握四探针法测量电阻率的基本原理和方法，以及具有各种几何形状样品的修正；分析影响 测量结果的各种因素。 实验原理：
四探针法用针距约为1mm的四根探针同时压在硅单晶样品的平整表面上，利用恒流源给外面两根探针通以电流，然后在中间两根探针上用电位差计测量电压降，然后根据推导简化Vn.2Sp=1公式，其中四根探针排列在同一条直线上，间距相等，此时探针系数就是一个常数。在实际测量工作中，为了计算方便，常常令电流I在数值上与探针系数C相等，即I=C，于是p=V23，此时探针2与3之间测得电位差在数值上就等于样品的电阻率。实验主要仪器设备及材料四探针测试仪：D41-11D/ZM、P型或N型硅片、外延硅片。实验内容：1）测量单晶硅样品的电阻率；2)测量扩散薄层的方块电阻：3）测量探针间距S及样品的尺寸：4）对测量结果进行必要的修正。6.用光电导衰退法测量硅单晶中少数载流子的寿命T实验目的：了解光生伏特效应：正确连接各实验仪器，掌握少子寿命T测试原理和方法，实验原理：利用电脉冲或光脉冲（闪光）的方法，从半导体内激发非平衡载流子，调节了半导体的体电阻，电导率增加，样品的电阻减小，因此样品上流过的高频电流的幅值增加，通过测量体电阻或串联电阻两端电压的变化规律来观察半导体材料中的非平衡少数载流子的衰减规律，从而测定其寿命。实验主要仪器设备及材料触发脉冲发生器、直流高压电源、脉冲光源、高频信号源、电极板、检波器和宽带放大器，直流稳压电源、脉冲示波器、半导体样品等
四探针法用针距约为 1mm 的四根探针同时压在硅单晶样品的平整表面上，利用恒流源给外 面两根探针通以电流，然后在中间两根探针上用电位差计测量电压降，然后根据推导简化 S I V 2 23 = 公式，其中四根探针排列在同一条直线上，间距相等，此时探针系数就是一 个常数。 在实际测量工作中，为了计算方便，常常令电流 I 在数值上与探针系数 C 相等，即 I=C，于 是ρ=V23，此时探针 2 与 3 之间测得电位差在数值上就等于样品的电阻率。 实验主要仪器设备及材料 四探针测试仪: D41-11D/ZM、P 型或 N 型硅片、外延硅片。 实验内容: 1)测量单晶硅样品的电阻率； 2)测量扩散薄层的方块电阻； 3)测量探针间距 S 及样品的尺寸； 4)对测量结果进行必要的修正。 6.用光电导衰退法测量硅单晶中少数载流子的寿命τ 实验目的: 了解光生伏特效应；正确连接各实验仪器，掌握少子寿命τ测试原理和方法。 实验原理： 利用电脉冲或光脉冲(闪光)的方法，从半导体内激发非平衡载流子，调节了半导体的体电阻， 电导率增加，样品的电阻减小，因此样品上流过的高频电流的幅值增加，通过测量体电阻或 串联电阻两端电压的变化规律来观察半导体材料中的非平衡少数载流子的衰减规律，从而测 定其寿命。 实验主要仪器设备及材料 触发脉冲发生器、直流高压电源、脉冲光源、高频信号源、电极板、检波器和宽带放大器、 直流稳压电源、脉冲示波器、半导体样品等
实验内容：用光电导衰退法测量硅单晶中少数载流子的寿命T。四、实验项目学时分配表序号学时实验项目实验类别必做/选做2必做1综合性霍耳效应测半导体中的载流子浓度及迁移率22必做PN结二极管伏安特性的测试综合性必做32PN结正向压降和温度关系的研究和应用综合性4综合性热氧化方法生长二氧化硅选做（三选2-)5综合性四探针法测量电阻率6综合性光电导衰退法测量硅单晶中少数载流子寿命合计8五、实验报告格式实验目的、实验原理简介、实验内容及程序、实验数据处理及结果分析。六、成绩评定办法及标准根据学生在实验过程中的表现、实验操作技能及效果、实验报告质量来综合评定成绩，单个实验项目考核分为三部分：实验预习（20%）、实验操作（30%）和实验报告（50%），最终实验成绩为各实验项目成绩求平均，成绩按优、良、中、及格、不及格五级评定。并按总成绩的10%计入《半导体物理与器件》课程成绩总分中。七、教材及参考书实验教材：自编实验指导书参考资料：《半导体物理学》刘恩科，朱秉升，罗晋生等编著电子工业出版社《电子材料实验》宗祥福，李川主编复旦大学出版社《半导体物理与器件》尼曼著赵毅强等译编写电子工业出版社
实验内容: 用光电导衰退法测量硅单晶中少数载流子的寿命τ。 四、实验项目学时分配表 序 号 实 验 项 目 实验类别 学 时 必做/选做 1 霍耳效应测半导体中的载流子浓度及迁移率 综合性 2 必做 2 PN 结二极管伏安特性的测试 综合性 2 必做 3 PN 结正向压降和温度关系的研究和应用 综合性 2 必做 4 热氧化方法生长二氧化硅 综合性 2 选做（三选 5 四探针法测量电阻率 综合性 一） 6 光电导衰退法测量硅单晶中少数载流子寿命 综合性 合 计 8 五、实验报告格式 实验目的、实验原理简介、实验内容及程序、实验数据处理及结果分析。 六、成绩评定办法及标准 根据学生在实验过程中的表现、实验操作技能及效果、实验报告质量来综合评定成绩， 单个实验项目考核分为三部分：实验预习（20%）、实验操作（30%）和实验报告（50%），最 终实验成绩为各实验项目成绩求平均，成绩按优、良、中、及格、不及格五级评定。并按总 成绩的 10%计入《半导体物理与器件》课程成绩总分中。 七、教材及参考书 实验教材：自编实验指导书 参考资料：《半导体物理学》 刘恩科，朱秉升，罗晋生等编著 电子工业出版社 《电子材料实验》 宗祥福，李川主编 复旦大学出版社 《半导体物理与器件》尼曼著 赵毅强等译编写 电子工业出版社