實驗1 半導體材料導電型別的測定
1．實驗目的
通過本實驗學習判定半導體單晶材料導電型別的幾種方法。
2．實驗內容
用冷熱探針法和三探針法測量單晶矽片的導電型別。
3．實驗原理
3.1半導體的導電型別是半導體材料重要的基本引數之一。在半導體器件的生產過程中經常要根據需要採用各種方法來測定單晶材料的導電型別。
測定材料導電型別的方法有很多種，這裡介紹常用的幾種測定導電型別的方法，即冷熱探針法、單探針點接觸整流法和三探針法。
3.1.1 冷熱探針法
冷熱探針法是利用半導體的溫差電效應來測定半導體的導電型別的。在圖1a中，p型半導體主要是靠多數載流子——空穴導電。在p型半導體未加探針之前，空穴均勻分布，半導體中處處都顯示出電中性。
當半導體兩端加上冷熱探針後，熱端激發的載流子濃度高於冷端的載流子濃度，從而形成了一定的濃度梯
度。於是，在濃度梯度的驅使下，熱端的空穴就
向冷端做擴散運動。隨著空穴不斷地擴散，在冷
端就有空穴的積累，因而帶上了正電荷，同時在
熱端因為空穴的欠缺(即電離受主的出現)而帶上
了負電荷。上述正負電荷的出現便在半導體內部
形成了由冷端指向熱端的電場。於是，冷端的電
勢便高於熱端的電勢，冷熱兩端就形成了一定的
電勢差，這一效應又稱為溫差電效應，這個電勢
差又稱為溫差電勢。如果此時在冷熱探針之間接
入檢流計，那麼，在外電路上就會形成由冷端指
向熱端的電流，檢流計的指標就會向乙個方向偏
轉。從能帶的角度來看，在沒有接入探針前，半
導體處於熱平衡狀態，體內溫度處處相等，主能
帶是水平的，費公尺能級也是水平的。在接入探針
以後，由於冷端電勢高於熱端電勢，所以冷端主
能帶相對於熱端主能帶向下傾斜，同時由於冷端
溫度低於熱端，故熱端的費公尺能級相對於冷端的
費公尺能級來說，距離價帶更遠，如圖1b所示。
如果我們將上述的p型半導體換成n型半導
體，則電子做擴散運動，在冷端形成積累。由於
電子帶有負電荷，所以，冷端電勢低於熱端電勢，在外電路形成的電流從熱端指向冷端，檢流計向另一方向偏轉。同時，冷端的主能帶向上傾斜。此時，費公尺能級如何傾斜，留給讀者思考。
從上述分析可知，用冷熱探針法測定半導體的導電型別，既可以通過電位差計測定冷熱兩端電勢的高低來判斷，也可以通過檢流計測定外電流的方向來判斷。一般冷探針採用不鏽鋼材料製作，熱探針採用金屬鎢（其上用無感電阻絲加熱）製作。冷熱探針的尖端做成60o角為妙。
3.1.2 單探針點接觸整流法
眾所周知，金屬和半導體接觸可以分為兩種情況：歐姆接觸和整流接觸。單探針點接觸整流法的基本原理就是利用金屬和半導體接觸的整流特性。
當金屬和半導體接觸時，半導體一邊的能帶發生彎曲，形成多數載流子的勢壘，構成介面阻擋層，此時就會出現整流
特性。但是，如果所形成的多數載
流子的勢壘區很窄，載流子就可以
依靠隧道效應從勢壘底部通過，使
整流特性遭到破壞，從而得到歐姆
接觸特性。
圖2給出了一種點接觸整流法
測量半導體導電型別的裝置圖。圖
中被測樣品是乙個p型半導體單晶
棒。交流調壓器一端接地，並且與
半導體的歐姆接觸電極相連。另一
端（滑動臂）經檢流計與鎢探針相
連，鎢探針的尖端與半導體樣品實
現點接觸。為了實現良好的歐姆接
觸，接觸處一般製作成大面積、高
復合接觸。
由於鎢探針與p型半導體之間
為整流接觸，零偏壓時半導體一邊
就已經存在空穴的勢壘。正向偏置
時，空穴的勢壘降低，p型半導體中的多數載流子（空穴）就會流向金屬中。但是，由於空穴是我們假想的一種粒子，所以實際上是金屬中的電子通過金屬探針向半導體中注入，從而形成正向電流。反向偏置時，半導體一邊空穴的勢壘增高，金屬-半導體接觸處沒有電流（忽略反向漏電流）。
圖2中如果調壓器的交流電源處於正半周，則鎢探針為正，半導體為負，從上述分析可知，金屬-p型半導體接觸處於反向偏置，檢流計中沒有電流；如果調壓器的交流電源處於負半周，則鎢探針為負，半導體為正，金屬-p型半導體接觸處於正向偏置，檢流計中有正向電流。如果我們把正半周和負半周的作用疊加起來，那麼檢流計的指標應該向左偏轉。如果被測量的樣品不是p型，而是n型，那麼，檢流計的指標就應該向右邊偏轉。
於是，根據檢流計指標偏轉的方向就可以判定半導體的導電型別。
圖3a給出了另一種點接觸整流法測量半導體導電型別的裝置圖。圖中p型半導體的下電極做成歐姆接觸，上面還是做成鎢探針點接觸。交流調壓器的接地端經一電流取樣電阻r 與p型半導體的下電極相連，另一端經鎢探針與p型半導體實現點接觸。
示波器的x軸輸入採集的是p型半導體上下兩端的交流電壓訊號，y軸輸入採集的是流經半導體和探針接觸的電流訊號。當交流調壓器輸出的交流電壓處於正半周時，探針為正，歐姆接觸為負，
金屬-p 型半導體接觸處於反向偏置，流過取樣電阻r 上的電流為零，y 軸的輸入訊號也為零，示波器的曲線是水平的；當交流調壓器輸出的交流電壓處於負半周時，探針為負，歐
姆接觸為正，金屬-p 型半導體接觸處於正向偏置，流過取樣電阻r 上的電流不為零，y 軸的輸入訊號也不為零，其輸出波形向下傾斜，如圖3b 所示。如果把p 型半導體換成n 型半導體，則情況正好相反。調壓器輸出交流電壓處於正半周時，金屬-n 型半導體接觸為正向偏置，取樣電阻r 上有電流流過，示波器的波形向上傾斜。
而處於負半軸時，金屬-n 型半導體接觸為反向偏置，取樣電阻r 上沒有電流流過，y 軸輸入訊號為零，曲線是水平的。
3.1.3 三探針法
如圖4a 所示，以n 型半導體為例，把三個金屬探針分別置於半導體表面1、2、3三個
點，針間距大約mm 5~5.1。在1和2兩個探針之間加入v 12的交流電壓，在2和3兩個
探針之間接入乙個ωm 1的電阻r 和乙個檢流計g ，這便構成了三探針法測量半導體導電型號的實驗裝置。在這個實驗裝置中，根據檢流計的偏轉方向就可以判斷半導體的導電型別。由於金屬-半導體接觸的整流特性，金屬-半導體接觸可以等效為乙個整流二極體。
於是，我們很容易得到圖4a 的等效電路——圖4b ，這裡，r 1、r 2、r 3分別為探針1、2、3與半導體接觸處半導體的擴充套件電阻，d 1、d 2、d 3分別為各探針與半導體接觸的等效二極體。探針與半導體的接觸電阻實際上等效於勢壘電阻和擴充套件電阻之和。
由於在探針與半導體點接觸的情況下，電流截面在接觸處面積最小，所以體內電壓降
主要集中在接觸點附近的區域內，其大小由接觸
處的幾何形狀所決定。在歐姆定律許可的範圍
內，半導體內的電壓降v 與由探針流入半導體
內的電流i 之間有如下關係
r i v =
式中r 為擴充套件電阻，可以推出，當探針與半導體
接觸處的形狀是半徑為0r 的半球麵時，
擴充套件電阻為
02r r πρ= 式中，0ρ為半導體的電阻率。
為了簡化分析，把圖4b 中的探針1和探針
2單獨列出來，得到圖5。設外加電壓1u 為如圖6a 所示的交流正弦電壓，由於電路是純阻性的，所以電流1i 與電壓1u 同相位。眾所周知，二極體正向偏置時，其兩端等效電阻很小；
反向偏置時，其兩端等效電阻很大。在圖5中，如果1u 處於正半周，則μ22,
μd 1處於正向偏置，d 2反向偏置，1122''u u >>，1u 主要降落在d 2上；如果1u 處於負半周，則d 1處於反向偏置，d 2正向偏置，2211''u u >>，1u 主要降落在d 1上，於是有2222''u u >>。如果在圖
4b 的電阻r 上取出電壓訊號，那麼，就可以通過示波器觀察到圖6b 所示的電壓波形'22u 。圖中，'22u 是'22u 的電壓平均值，且有0'22>u 。對於p 型半導體，經過同樣的分析可知'22u 的波形正好與圖6b 的波形上下倒乙個方向。
根據上述分析，可以把'22u 用乙個電池的電動勢來表示，再與圖4b 中的33『
支路結合起來，便得到2、3探針的等效電路(見圖7)。圖中，二極體d 3處於反向偏置，其反向偏置電阻是乙個很大的值。由圖可見，檢流計的指標應該向左偏轉。
對於p 型半導體，通過同樣的分析可知，指標應該向右偏轉。這樣，我們用三探針法就可以通過示波器觀察波形或者通過檢流計的偏轉方向來確定半導體的導電型別。
4. 實驗步驟：
4.1 取三塊電阻率各不相同的矽單晶元或外延片，分別測量他們的電阻率，並
且作好記錄。
4.2 從冷熱探針法、單探針點接觸整流法和三探針法中選擇合適的方法測量單晶矽片的
導電型別，並且分析測量結果的準確性。
5． 注意事項：
在溫差電效應中，溫差電勢隨著摻雜濃度的增加而減小，也就是說，電阻率越高，溫差電效應越大。儘管溫差電效應很大，但電阻率也大，所以溫差電流較小，檢流計檢測的是電流，所以冷熱探針法對於低阻樣品有較高的靈敏度。但是如果檢測的是溫差電勢的極性，則可以檢測較高電阻率的材料。
點接觸整流法測型號往往不適用於低阻材料，因為金屬與低阻材料接觸易於形成隧道效應而使整流效應不明顯，可能導致歐姆接觸。 準確判斷乙個單晶材料的導電型別是非常重要的，它是製作半導體器件的原始依據。
每一種測量方法都有一定的電阻率範圍，超出這個範圍就可能出現測量誤差。在測量型號之前，首先應該判斷該材料電阻率的大致範圍，然後確定採用那一種測量方法。
此外，在測量型號時要注意表面效應，防止表面出現反型層，因此，通常需要粗磨表面或打砂處理。半導體表面對外界環境十分敏感，表面如果沾上陰、陽離子，就可能在表面感應出反型層，從而導致測量誤差，因此，測量導電型號時不宜用拋光面或腐蝕表面。
用點接觸法測型號，要注意大面積的歐姆接觸，並用力壓緊，而構成整流接觸的金屬探針壓力要小，使用薄的軟鉛皮或軟的金鎵合金可以得到良好的歐姆接觸。
半導體表面在周圍電磁場的作用下可能出現反型層，影響測量的準確性，因此，測量時最好加以電磁遮蔽。另外，光照會產生光電流，引起光生電動勢，這一點也應該引起重視。
用冷熱探針測量型號時，熱筆的溫度既不能太高，又不能太低。對於鍺材料，由於禁帶很窄，冷筆需用液氮致冷（78k）；矽材料禁帶較寬，溫度也可以高一些（50°上下），但也不能太高（以不出現本徵激發為限）。
熱筆上的氧化物在測量時應予去除，測量時，冷熱探針都應壓緊，否則會引起測量誤差。
測量型號時，若發現區域性區域測不准，可以用腐蝕方法顯示不均勻情況。具體方法是在氫氟酸中加入一滴硝酸（1%）然後將被測單晶放入其中腐蝕20分鐘取出，其p區顯黑色，n區顯白色。
6．思考題
6.1 簡述溫差電效應產生的原因及其在冷熱探針法測量導電型別實驗中的應用。
6.2 單探針點接觸整流法測量單晶材料導電型別試驗中要注意哪些問題？這個實驗用到了半導體的哪些性質？
6.3畫出p型半導體採用三探針法測量導電型別時示波器所顯示的波形圖。
7．參考文獻
【1】 孫以材，半導體測試技術，冶金工業出版社，2023年10月第一版。【2】 黃昆，韓汝琦，半導體物理基礎，科學出版社，2023年7月第一版。
半導體材料研究的新進展
新華網東京 月 日電日本乙個研究團隊 日在英國 自然 雜誌網路版上報告說，他們開發出一種製作有機半導體單晶薄膜的新技術。新技術由日本產業技術綜合研究所等機構的科研人員聯合開發。據稱，該技術能使平板顯示器等大面積電子裝置所需的薄膜場效應電晶體 的效能比用傳統方法製成的產品高百倍以上。產業技術綜合研究所...
半導體材料的調查報告
名字 曹美琴 學號 20113199 1.1引言 導電能力介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。半導體材料是一類具有半導體效能 可用來製作半導體器件和整合電的電子材料，其電阻率在10 u 3 10 u 9 歐姆 厘公尺範圍內。半導體材料的電學性質對光 熱 電 磁等外界因素的變化十分敏感，在半導體材料...
實驗1測定材料的彈性常數
實驗一材料 的測試實驗 在解決工程構件的強度問題時，需要用到構件所用材料的彈性常數 彈性模量e和泊松比，因此，測定材料的彈性常數是工程中經常遇到的問題。一 實驗目的 1.熟悉電測法的基本原理和靜態電阻應變儀的使用方法。2.掌握應變片在測量電橋中的各種接線方法。3.用電測法測量材料的彈性模量e和泊松比...