試驗一單晶矽少子壽命測試
一． 試驗目的
1．了解半導體非平衡少子壽命的概念和重要性。
2．掌握高頻光電導衰減法測量壽命的基本原理。
3．學會「dsy-ⅱ矽單晶壽命儀」的使用。
二． 實驗原理
1．非平衡載流子的注入
我們知道，處於熱平衡狀態的半導體，在一定的溫度下，載流子濃度使一定的。這種處於平衡狀態下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。
對非簡併半導體來說，有
如果對半導體施加外界作用（光注入或者電注入），破壞熱平衡條件，則半導體處於非平衡狀態，其載流子濃度不再是、，而是存在過剩載流子、，稱為非平衡載流子。
當外界作用消失後，注入的非平衡載流子不能一直存在下去，最後，載流子濃度恢復導平衡時的值，半導體又回到平衡態，這個過程即是非平衡載流子的復合。但非平衡載流子不是立刻全部消失，而有乙個過程，即它們在導帶和價帶中有一定的生存時間，有的長，有的短。非平衡載流子的平均生存時間稱為非平衡載流子的壽命，用表示。
由於相對於非平衡多數載流子，非平衡少數載流子的更重要，因而非平衡載流子的壽命常稱為少數載流子壽命。
假定一束光在n型半導體內部均勻地產生非平衡載流子、，且。在t＝0時，突然光照停止，將隨時間變化。單位時間內非平衡載流子濃度的減少應為，它是由復合引起的，因此應當等於非平衡載流子的復合率。
即。小住入時，為恒量，與無關，
。設t＝0時，，則，
。這就是非平衡載流子濃度隨漸漸按指數衰減的規律。利用上式可求出非平衡載流子平均生存時間就是。
所以壽命標誌著非平衡載流子濃度減少導原值1/e所經歷的時間。壽命不同，非平衡載流子衰減的快慢不同，壽命越短，衰減越快。
2．高頻光電導衰減法
光注入必然導致半導體電導率的增大，引起附加電導率。
。實際上，並不是光生電子河光生空穴都對光電導有貢獻。在復合消失前，只有其中一種光生載流子（一般是多數載流子）有較長時間存在於自由狀態，而另一種往往被一些能級束縛。這樣或。
附加電導率應為：或。
可利用圖示裝置觀察。圖中，電阻r比半導體電阻r大很多，以保證通過半導體的電流i恆定。半導體上電壓降。設平衡時半導體電導率為，光照引起的附加電導率為，
小注入時，
電阻率的改變
電阻的改變
電壓降的改變。
則，可從示波器觀察到半導體上電壓降的變化，以檢驗非
平衡載流子的注入。並且，可根據電壓降隨時間衰減的曲
線，確定少子壽命。
三． dsy-ⅱ矽單晶壽命儀的使用
1．儀器工作原理
儀器的簡單工作原理可以從方框圖中看出，
高頻源提供的高頻電流流經被測樣品，當
紅外光源的脈衝光照射樣品時，單晶體內
即產生光生載流子，使樣品產生附加光電
導，樣品電阻下降，由於高頻員為恆壓輸
出 ，因此，流過樣品的高頻電流幅值增加
；光照消失後，便逐漸衰退，其衰
退速度取決於光生非平衡載流子在晶體內
存在的平均時間（即壽命）。在小注入下
，當樣品光照區內復合是主要因素是，
按指數規律衰減，在取樣器上產生的電壓
也變化，也按同樣的規律變化。
即：。此調幅高頻訊號經檢波器解調河高頻濾波，再經寬頻放大器放大後輸入到脈衝示波器，再示波器上就顯示出一條如圖指數衰減曲線，衰減的時間常數就是要測的壽命值。
2．面板介紹
kd：開關及指示燈
k：制脈衝發生電路電源通/斷
kw：外光遠主電源的電壓調整電位器（順時針為調高）
cz：訊號輸出高頻插座
m1：紅外光源主電源電壓表（指示紅外發光管工作電壓大小）
m2：磁環取樣檢波電壓表（指示輸出訊號大小）
四． 實驗內容及步驟
1．接通電源線及用高頻連線將cz與示波器y輸入端接通，開通示波器。
2．將清潔處理後的樣品置於電極上，可在電極上塗抹點水，以提高靈敏度。如樣品太輕 ，可在單晶上端壓上重物，以改善接觸。
3．開啟總電源kd，預熱15分鐘，按下k接通脈衝電路電源。旋轉kw，適當調高電壓。
4．調整示波器電平及釋抑時間，同步調整y軸衰減、x軸掃瞄速度及曲線的上下左右位置，使儀器輸出的指數衰減光電導訊號波形穩定，盡量與標準指數曲線吻合。
5．如果光電導訊號衰減波形部分偏離指數曲線，
應作如下處理：
（1）如波形初始部分衰減較快，則用波形較後
部分測量。
（2）如波形頭部出現平頂現象，說明訊號太強，
應減弱光強，在小訊號下進行測量。
（3）為保證測試準確性，滿足小注入條件，即
在可讀數前提下，示波器盡量使用大的倍率，光
遠電壓盡量地調小。
6．關機時，先將開關k按起。
五． 實驗報告
1．觀察非平衡載流子隨時間的衰減，繪出衰減曲線
2．確定非平衡載流子的壽命。
六． 思考題
強注入情況下，還是定值嗎？這個時候的的曲線方程？
實驗二半導體方塊電阻的測量
一． 試驗目的
1．掌握方塊電阻的概念和意義。
2．掌握四探針法測量方塊電阻的原理。
3．學會操作sdy—4型四探針測試儀。
二． 實驗原理
1．方塊電阻
對任意一塊均勻的薄層半導體，厚w，寬d，長l，
則電阻為
當l＝d時，表面成方塊，它的電阻稱為方塊電阻，
記為，單位為。
設電流為i，則。
對於一擴散層，結深為，寬d，長l，則。
定義l＝d時，為擴散層的方塊電阻，
，這裡的、均為平均電阻率和平均電導率。
若原襯底的雜質濃度為，擴散層雜質濃度分布為，
則有效雜質濃度分布為。
在處， 。
又假定雜質全部電離，則載流子濃度也是。
擴散層的電導率分布為
。若為常數，則。其中表示擴散層的有效雜質總量。當襯底的原有雜質濃度很低時，有。
（單位面積的擴散雜誌總量）
有。2．四探針法測擴散層的方塊電阻
將四根排成一條直線的探針以一定的壓力垂直地壓在被測
樣品表面上，在1、4探針間通過電流i（ma），2、3探針
間就產生一定的電壓v(mv)。（如圖）
按下列公式計算樣品的方塊電阻：
其中，d:樣品直徑；s：平均探針間距；fsp：探針修正係數；
f(w/s)：樣品厚度修正係數；f(d/s)：樣品直徑修正係數；i：1、4探針流過的電流值；
v：2、3探針間取出的電壓值。
三． sdy—4型四探針測試儀的使用
面板介紹：
k7：電流換向按鍵
k6：測量/電流方式選擇按鍵（開機時自動在電流位）
k5：測量選擇按鍵（開機時自動設定在）
k4、k3、k2、k1：測量電流量程選擇按鍵
w1：電流粗調電位器
w2：電流細調電位器
l：主機數字及狀態顯示器
四． 實驗內容及步驟
1．開啟主機電源，預熱5分鐘。
2．估計所測樣品的方塊電阻範圍，按下錶選擇電流量程。
如無法估計時 ，一般先選擇0.1ma量程進行測試，再估計。
3．放置樣品，壓下探針，使樣品接通電流。從顯示器上讀出電流數值。調節電位器，即可得到所需的測試電流值。
測試點流選取：,計算出i=
調整電流後，按k6鍵選擇測量，按k5選擇，則可以讀出所測樣品的方塊電阻。
五． 實驗報告
樣品的方塊電阻值。
六，思考題
和擴充套件電阻進行對比。
試驗三半導體電阻率的測量
一． 試驗目的
1．掌握電阻率的概念和意義。
2．掌握四探針法測量電阻率的原理。
3．熟悉sdy—4型四探針測試儀的操作。
二．實驗原理
1． 電阻率
對任意薄層半導體，有，其中為半導體的電阻率，單位為。
有，即半導體的電導率，單位為。有。
。電阻率取決於載流子濃度和載流子遷移率。
其中，載流子在半導體中運動受到電離雜質、晶格振動（聲學波散射、光學波散射）散射。
有。（、、分別表示只有一種散射機制（電離雜質、聲學波、光學波）存在時的遷移率。）遷移率與雜質濃度和溫度有關，同時，載流子濃度也與雜質濃度和溫度密切相關。
所以電阻率隨雜誌濃度和溫度而異。輕摻雜時，電阻率與雜質濃度成簡單的反比關係；雜質濃度增高時，曲線嚴重偏離直線。溫度較低時，電阻率隨溫度公升高而下降；室溫下，電阻率隨溫度公升高而增大；高溫時，電阻率隨溫度公升高而急劇下降。
2．四探針法測電阻率
將四根排成一條直線的探針以一定的壓力垂直地壓在被測
樣品表面上，在1、4探針間通過電流i（ma），2、3探針
間就產生一定的電壓v(mv)。（如圖）
按下列公式計算樣品的方塊電阻：
其中，d:樣品直徑；s：平均探針間距；w：樣品厚度；fsp：探針修正係數；
f(w/s)：樣品厚度修正係數；f(d/s)：樣品直徑修正係數；i：1、4探針流過的電流值；
v：2、3探針間取出的電壓值。
三．sdy—4型四探針測試儀的使用
面板介紹：
k7：電流換向按鍵
k6：測量/電流方式選擇按鍵（開機時自動在電流位）
k5：測量選擇按鍵（開機時自動設定在）
k4、k3、k2、k1：測量電流量程選擇按鍵
w1：電流粗調電位器
w2：電流細調電位器
l：主機數字及狀態顯示器
四．實驗內容及步驟
1．開啟主機電源，預熱5分鐘。
2．估計所測樣品的電阻率範圍，按下錶選擇電流量程。
如無法估計時 ，一般先選擇0.1ma量程進行測試，再估計。
3．放置樣品，壓下探針，使樣品接通電流。從顯示器上讀出電流數值。調節電位器，即可得到所需的測試電流值。
測試點流選取：,計算出i=
在一起上調整w1和w2，使測試電流顯示值為「□abcd」，當選取不同的電流量程時，測試電流顯示值與真實電流值的關係如下表：
調整電流後，按k6鍵選擇測量，按k5選擇，則可以讀出所測樣品的電阻率。
五．試驗報告
樣品的電阻率。
六．思考題
當樣品電阻率》1999.9時，稱為高阻，利用四探針測試儀怎麼測量？
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