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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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 即光点向右偏转。从而可以根据检流计光点偏转的方向以及示波器的图形来确定所测样品 的导电类型。 电源技术网hto/www.pwwer-dbscOm 图1-7电压与电流的波形 (a)W、i的波形(b)2x′的波形 D3反 图1-82、3探针等效电路分析 几种方法的比较及其适用场合 冷热探针法应用温差电效应原理,由上面分析可知,温差电动势随掺杂浓度的增加而 减小,即样品的电阻率翹高,温差电动势越大。尽管电动势大,高阻样品的电阻也很大, 所以温差电流是比较小的,检流计检测的是电流,由此可见,冷热探针法若检测的是温差 电流剩主要适用低阻样品,比较灵敏。一般认为只适用于室温电阻率为1000欧姆·重米以 下的硅单晶和50欧姆·厘米以下的储单晶。但是如果检测的是温差电势的极性而不是温差 电流,则可以提高电阻率检测上限。 利用点接触整流原理的测型号方法,往往不适用于低阻单晶,这是因为金属与低阻单 晶接触时因隧道效应而破坏整流特性,并构成欧姆接触特性。这种方法一般认为只适用于 1~10欧姆·厘米的硅单晶,对锗单晶不推荐用这种方法 以上测量半导体材料导电类型的方法对于直拉,区熔,外延片硅单晶及锗单晶(在测 准条件下)均可适用。在测量材料的导电型号时不仅仅要测量出它是n型还是P型,而且 还要检验材料均匀度,如单晶中有否存在p-n结及杂质浓度相差很大的L-H结(高-低结) 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 等等。 三、测准条件的分析 前面已经指出,怎样测准硅单晶的型号是一个很重要的问题,因为这是制作半导体器 件的原始依据。每一种测量导电类型的方法都有其一定的适用范,离开这些范围来测量 型号就有可能发生差错。首先应注意单晶电阻率太歌港围,然后再选定一种测量型号的方 Www 此外,测型号时要注衮样品应,表面不能有反型层,因比通常需要粗磨样品 表面,最好经过喷砂处理导体表面对外界环境十分敏感,譬如容易沾上油污,经过化 学腐蚀处理的样品,表面上就沽上阴、阳离子,使半导体表面感应出反型层来,从而造成 测量错误。因此测量半导体的导电型号不宜用抛光面或腐蚀面,应该经过喷砂处理。 用点接触整流测量半导体材料的导电型号时,要注意大面积欧姆接触,一定要用力压 紧,使接触良妤,使用薄的软铅皮或软化的金镓合金能得到良好的欧姆接触。构成整流特 性的金属半导体接触压力要小,一般几克力即可。因为探针尖很细,稍用力大一些就可 以得到很大的压强,从而破坏了整流特性。 半导体表面对周围电磁场也很敏感,在周围电场的作用下甚至可出现表面反型层,因 此在测量型号时最好加以电磁屏蔽,選免外界干扰。探针附近的光照能引起光生电动势 从而在检流计中通过光生电流,这种光生电流对型号测量也有干扰,对抛光面尤其要注 用冷热探针法测量导电型号时,热探笔的温度要适当,锗的禁带宽度比较窄,热笔温 度宜为室温,冷笔要用液氮致冷(78°K)。硅的禁带宽度比较宽,热笔温度可以硝高一点 (40~65°C)。但也不能过高,因为过高的温度会引起本征激发,本征激发产生的载流子 接近或超过杂质电离产生的载流子时,半导体的导电类型就不明显。电子的扩散速度比空 穴的大,当熱笔温度过高时,电子向冷端扩散往往比空穴的多,这样就会造成热端缺乏电 子而带正电,冷端积累电子而带负电,这就显示出n型半导体的特征。如果原来是一块P 型高阻材料,这时就会误测为n型。由此可见,热笔的温度应以不出现本征激发为限。 此外,热探笔上的氧化物也能引起测量错误,在测量时应予去掉。测量时冷、热探笔 都应紧压在样品上,否则也会引起测量错误。 测量单晶的型号时,如果发现局部区城出现反型或测不准型号,可以用化学腐蚀法显 示不均匀情况。其具体做法是:在HF酸中加1%(1滴)HNO,将单晶放在其中,约经 20分钟后取出,则P区呈黑色而n型呈白亮色 第二节电阻率的测量 电阻率是半导体材料的重要电学参数之一。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,例如n型材料的室温电阻率可表示如下: D-NoAng (1-4) 式中,Na为施主杂质浓度;NA为受主杂质浓度;为电子迁移率;q为电子电荷量。 硅单晶的电阻率与半导体器件有密切的关系,例如晶体管的击穿电压就直接与单晶的 电阻率有关。根据器件的种类、特性、制作工艺与技术条件对制遣器件的半导体材料的电 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 阻率提出一定的要求。所以测量电阻率是半导体材料常规参数测量项目之一,应该重视测 量的正确性。 电阻率测量的基本方法4 用接触法测景半导体材料的电阻率有如下几种方法:(1)两探针法;(2)四探针 法;(3)单探针展电阻法;(4)范德堡法等。我国生产导深材料的厂家广泛采用 方法,范德堡法放在霍尔系数测量中叙述。NwWW的驶用。下面分别叙述前三种测量 四探针法,因为这种方法比较简便可行,适于成批生 由电学基本知识可知,对于般购金属电阻,可以通过测量流过电阳的电流I以及两 端电压F的大小,然后根据稀的尺寸计算出样品的电阻率(参照图1-9) 式中,A为样品的截面积;l为样品的长度。 接触电 图19用测量金属导体电阻率的方法 a)测量半导体的电阻率;(b)时出现接触电阻 将以上测量电阻率的方法应用到半导体样品上显然是不行的。这是因为用接触法测量 半导体材料的电阻率时会遇到测电压的金属探笔与半导体样品的接触问题:金属与半导休 相接触的地方有很大的接触电阻。这种接触电阻可以达几千欧姆,甚至远远的超过半导体 本身的体电阻。实际上电压表上所测出的电压v表是接触电阻的电压降=4+42和半导 体体电阻上压降矶之和,并且往往前者远远超过了后者,因此电压表上所测量出的电压不 能代表真正的体内电压降。可以用图1-9(6)的等效电路来描述这种情况。 Ha=1+u2+#=+u 而 少 所以 在这种情况下,只有设法测出体电阻上的电压降“,在欧奶定律成立的条件下才能计算出 半导体样品的电阻率。 金属与半导体之间的接触电阻主要来源于阻挡层电阻和细探针与半导体之间造成的扩 屦电阳。因为金属与半导休之间可以构成多数载流子势垒,使界面缺乏载流子,而产生很 大的电阻,这种电阻称为阻挡层电阻。 由上面分析可知,不能直接用万能表或简单地像图1-9那样去测量半导体的电阻率,而 应设法寻找能抵销或避免接触电阻的测量方法。因而人们提出了两探针和四探针等方法来 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 测量半导体样品的电阻率。 1.两探针法5 两探针法可以用图1-10来加以说明。试样两端接直流电源,引出线与试样之间应保持 欧接触特性。试样为长条形或棒状,其电阻率应是均匀的。样品电流回路上串一个标 准电阻R,并用高输入阻抗的电压表或电位差计测量电正的电压降,从而计算出流过半 电源技术网htp:/N 欧电极 试样 图1-10两探针法测最半导体样品的电阻率示意图 导体样品的电流 然后用两个靠弹簧压紧的探针在半导体样品的长度方向测量某两点的电压降矿r(伏) 并且测量出该两点之间的距离L(厘米)那么样品的电阻率可以用下式表示 (欧姆·厘米) (1-7) 式中的A为样品的截面积(厘米2)由于电压探针上没有流过样品电流,因此测出的样品电 阻率与金属和半导体之间的接触电阻无关。 为使测量准确起见,探针尖的几何半径一般为25~50微米,测量表面要经过喷砂处 理。两探针法适用于测量电阻率为10-~10欧姆·厘米的硅单晶,99%置信水平上的精 度约为士6%50 2.直流四探针法5 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,如图1-1所 示。利用恒流源给外面的两个探针通以小电流,然后在中间两个探针上用高输入阻抗的静 电计、电子毫伏计或数字电压表测量电压,最后根据理论公式计算出样品的电阻率 0测量精度是指各次测量之闻相互一致的程度。用±a表示精度指标,a越大測置过程越不糈确。精度指标的基 准是测量统计分布的标准儡差,如用百分数麦示则为R,卩R是浏量的标称值。精度指标±a为士20{R(或±30 段)时,约95%成99%的测量次数《一般称为置信水平)的测量值落在±20(或上30)范国内(称为置值区间) 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 (1-8) 式中,C为四探针的探针系数(厘米),C的大小取决于四探针的排列方法和针距,探针确定 以后,探针系数C就是一个常数,与样品无关;Vx为用四探针测量时二、三两探针之间的 电压(伏);I为通过样品的电流(安) 四抓针法的优点在于都射平导体样品之闻不必要求 备合金结电极,这样测量带来方便。四探针法测电阻率精 度略逊于两探料法,对于电黑率为8×10-~120120~50 恒流源 如00+2000姆·厘米的P型和20006000姆·厘米的n 型硅单晶,99%置信水平的精度分别优于士2%、±5%、士 电压表 15%和士15% 3.矩形四探针法C46 实际用四探针法测量电阻率时,四根探针不一定都得排 成一条直线,从原理上说,可以排成任何几何图形。普通用 得较多的是正方形或矩形四探针。采用这种四探针的优点是 可以减小测量区域,便于观察电阻率的不均匀性。矩形四探 针法与直线四探针法没有很大差别,只是由于探针排列方法 图1-11四探针法测样品电改变了,因此公式(1-8)中的探针系数不同现列在表1-1中 阻率装置示意图 予以说明(适用于半无限大样品)。 4.单探针扩展电阻法 四探针法比两探针法好,好在可以测量样品沿径向分布的断面电阻率,从而可以观竅 襄11非线性四探针测量电阻率4 阻率计算公式 正方形四探针 2 a107S M 矩形四探针 到样品电阻率的不均匀情况。但是由于此法受到针距的限制,很难发现距离小于0.5毫米 两点上电阻率的变化,因此人们又提出了一种新的测量微区电阻率的方法,称为单探针扩 展电阻法。此法可以确定体积为101厘米3的区域的电阻率,分辨率可以达到1微米。 这种方法是利用一根金属饿(或钨钻合金)尖的探针来探测样品表面的电阻率。要求 探针材料具有硬度大和耐磨的性能。探针用夹头夹紧安装在由两个簧片构成的探针臂系统 PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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