試驗(yàn)指導(dǎo)書面對(duì)專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)電子科技大學(xué)中山學(xué)院2023年10試驗(yàn)指導(dǎo)書試驗(yàn)名稱：試驗(yàn)一、半導(dǎo)體霍爾效應(yīng) 學(xué)時(shí)安排：3試驗(yàn)類別：驗(yàn)證性 試驗(yàn)要求：必做一、試驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1、理解霍爾效應(yīng)的物理意義；2、了解霍爾元件的實(shí)際應(yīng)用；3、把握推斷半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，學(xué)會(huì)測(cè)量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)、電導(dǎo)率、載流子濃度、漂移遷移率及霍爾遷移率的試驗(yàn)方法。二、試驗(yàn)原理介紹2a,d，長(zhǎng)為b的半導(dǎo)體樣品，在X方向通以均勻電流IX

，Z方向上加有均勻的磁場(chǎng)B時(shí)〔見圖1所示，則在Y方向上使產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差為霍爾電勢(shì)差，z用U 表示，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。H2a2a2X(I)b2d2圖1與霍爾電勢(shì)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)，叫做霍爾電場(chǎng)，用E 表示，其大小與電流密度J 和所加磁場(chǎng)強(qiáng)Y XB成正比，可以定義如下形式：zE R·B·J 〔1〕Y= H Z X上式中，R 為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)。H霍爾效應(yīng)的物理意義可做如下解釋：半導(dǎo)體中的電流是載流子〔電子或空穴〕的定向動(dòng)動(dòng)引起的，一人以速度υx運(yùn)動(dòng)的載流子，將受到淪侖茲力fB=eυxBZ的作用，使載流子沿虛線方向偏轉(zhuǎn)，如圖2所示，并最終積存在與Y軸垂直的兩個(gè)面上，因而產(chǎn)生靜電場(chǎng)EY，此電場(chǎng)對(duì)載流子的靜電作用力fE=eEY,fB過半導(dǎo)體，因而在Y方向上就有一個(gè)恒定的電場(chǎng)EY。下面以N型半導(dǎo)體為例：有 eυB=eE 〔2〕x Z Y電流密度 J =enυX xE E 所以Y ne

J B 〔3〕X Z將〔3〕式與〔1〕式比較，可得：1RH= ne

〔4〕上式中n為電子的濃度，e為電子電荷量，其值為e=1.602×10-19C。同理，假設(shè)霍爾元件是P型〔既載流子為空穴〕半導(dǎo)體制成的，則R =1〔p，其中p為空穴的濃度。HY YB + B －Z Z＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋I(xiàn) IX XE υ －–e +e＋ υY X X______________ U UH Hf fB B— ＋N型 P型圖2又因UE = HY 2a

IJ = X X 2ad由〔3〕式得：I B RU=X

= H·I B=K I B

〔5〕ned

d X

HX ZK為霍爾元件靈敏度，單位為V/〔A·T〕H所以 R =KH H

·d 〔6〕霍爾系數(shù)R 的單位為m3/C〔米3/庫侖〕H假設(shè)霍爾元件的靈敏度KH

已經(jīng)測(cè)定，就可以用式〔5〕來測(cè)量未知磁場(chǎng)BU

，既有：ZKB= H 〔7〕KZ IH XHH2可以看出，假設(shè)載流子帶正電，則所測(cè)出的U極性為下正上負(fù)；假設(shè)載流子帶負(fù)電，則所測(cè)出的U類型。反之，假設(shè)知道載流子的類型和工作電流方向，就可以判定磁場(chǎng)的方向。HH概據(jù)半導(dǎo)體物理性質(zhì)可知，載流子在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它將不斷地得到散射，HR 還必需用半導(dǎo)體物理理論加以適當(dāng)修正，即H1R=ne

〔8〕n= 1 〔9〕eRH式中1不大的因子，它與半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造和散射機(jī)理有關(guān)，具體地說，對(duì)于球形等能面的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體來說：長(zhǎng)聲學(xué)波散射時(shí)〔晶格散射〕=3≈1.1788電離雜質(zhì)散射時(shí)=315π≈1.933512對(duì)高度簡(jiǎn)并化的半導(dǎo)體=1X 我們知道，電導(dǎo)率=J X

或=neμN(yùn)

，式中μN(yùn)

為N型半導(dǎo)體的漂移遷移率。將此式與μHN〔8〕式比較，可得R =μHN假設(shè)用μH表示RH·μN(yùn)叫做霍爾遷移率所以

μ=μΗΝ

即μ=R· 〔10〕H 〔11H 通過試驗(yàn)測(cè)量出RH和即可算得μH，從而也可求得μN(yùn)值。對(duì)于非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體〔球形等能面〕晶格散射時(shí)8μN(yùn)= 3

R · 〔12〕H試驗(yàn)原理接線見圖32，被測(cè)樣品是一塊有6根引線電極的N型半導(dǎo)體〔如圖4H24，132—4、1—3的連線必需垂直于X方向。處于B處于B的樣品ZL12162a5d4 L43b43源 3樣品的寬為2，厚為，長(zhǎng)為b電位電極4〕間的距離分別為L(zhǎng) L ，在電21 436、5間〔X方向〕IX

，由數(shù)字電壓表測(cè)出〔1、3〕或〔2、4〕間的霍爾電壓U 和21〔、3〕間的電位差U U 。H 21 43依據(jù)歐姆定律J =﹒E 計(jì)算出電導(dǎo)率：X XJ I/(2ad) I·LX X

X 21 21 = E

= U/L

= 2ad·UX 21 21 21J I/(2ad)

I ·L X X

X 43 43 =EX

= U /L43

= 2ad·U4321432

〔13〕假設(shè)I 單位是A，U〔U 〕的單位是V，長(zhǎng)度L〔L 、寬度b和厚度d的單位均為m，X 21 43 21 43則電導(dǎo)率單位為1〔Ω。這樣，我們可以依據(jù)式〔16〔11〔9〕分別算出磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電導(dǎo)Zμ 率、霍爾系數(shù)R、漂移遷移率 、霍爾遷移率，半導(dǎo)體中載流子濃度nμ H N H由于樣品電流電極6、5兩端同樣品的焊點(diǎn)處電阻不同，使得樣品兩端產(chǎn)生不同的焦耳熱，因而樣品兩端溫度不同，結(jié)果有熱流過樣品，使樣品內(nèi)的溫度分布存在著梯度。假設(shè)各電位電極〔1~4〕與樣品接觸處的溫度具有不同值，就會(huì)在電極〔2、4〕或〔1、3〕間產(chǎn)生溫差電勢(shì)。處于磁場(chǎng)的樣品，當(dāng)有溫度梯度存在時(shí)，還將產(chǎn)生幾種的效應(yīng)：愛廷豪森效應(yīng)，能斯特效應(yīng)和里紀(jì)——杜勒克效應(yīng)，它們統(tǒng)稱為熱磁效應(yīng)。另外，因霍爾元件材料本身的不均勻，霍爾電極位置的不對(duì)稱，即使不存在磁場(chǎng)，當(dāng)電流IX

3〔24〕兩端也會(huì)處在不同〔1〔4〕兩端產(chǎn)生不等位電勢(shì)差。為了減小測(cè)量時(shí)伴隨的各種副效應(yīng)消退不等位電壓，取電流和磁場(chǎng)的方向四種不同組合，對(duì)電位電極〔1、3〕或〔2、4〕間電壓進(jìn)展四次測(cè)量，用U

〔1U〔2U〔3U〔4，H H H H分別表示〔+B，+I

〕〔+B，-I

〕〔-B，-I

〕組合和〔-B，+I

〕組合時(shí)的測(cè)Z量結(jié)果，最終取

X U=1U

X Z(1) U (2)U

X Z X(3)U (4) 三、試驗(yàn)設(shè)備介紹

H 4 H

H H H本試驗(yàn)承受HL—6A霍爾效應(yīng)試驗(yàn)儀。該儀器由兩局部組成。第一部份為試驗(yàn)儀：由電磁鐵、霍爾元件、四個(gè)換向開關(guān)組成；其次部份為測(cè)試儀：有兩1000mA的穩(wěn)定電流，為霍爾元件供給10.0mA的穩(wěn)定電流，200mV高精度數(shù)字電壓表用來測(cè)量霍爾電壓。試驗(yàn)接線圖5。四、試驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、推斷半導(dǎo)體無件的導(dǎo)電類型按圖5.5連接好電路，將霍爾元件移動(dòng)到電磁鐵氣隙中。合上K1000mA，依據(jù)勵(lì)磁電流的方向確定電磁鐵中磁場(chǎng)方向。1K5mA6、5的極性。2K3

K200mV數(shù)字電壓表測(cè)出霍爾電壓，并確定霍爾元件〔1、3〕或〔2、4〕42推斷出半導(dǎo)體元件的導(dǎo)電類型。2、測(cè)量電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度1000mAIX

至10.0mA，移動(dòng)標(biāo)尺使霍爾元件在電磁鐵氣隙中部，KK200mV數(shù)字電壓表測(cè)出霍爾電壓U

〔1，按挨次將BI換3 4 H Z X向，測(cè)出相應(yīng)的U〔U〔〕和U〕值，最終取U=[|U〔1|+|U〔|+|U〔3〕H H H H H H H|+|U

〔4〕|]/4。由給出的霍爾靈敏度K和公式B=U〔K﹒I，計(jì)算出

〔假設(shè)霍爾H H Z H H X Z電壓輸出顯示未超量程時(shí)，可將工作電流或勵(lì)磁電流調(diào)小。3、測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿X方向的分布狀況ZU，H計(jì)算出相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，作B~X關(guān)系的分布曲線。Z Z4、爭(zhēng)論工作電流IX

與霍爾電壓UH

的關(guān)系保持電磁鐵的勵(lì)磁電流為確定值不變，霍爾元件置于電磁鐵的氣隙中部，將霍爾元件的工作電流依次調(diào)整為1.0mA,2.0mA,3.0mA,??，10.0mA,測(cè)量相應(yīng)的霍爾電壓UH。以橫坐標(biāo)為工作電流I，縱坐標(biāo)為霍爾電壓UI~U

的關(guān)系曲線。X H X H434362516 工作電流 5 1 霍爾電壓 3霍爾電壓勵(lì)磁電流K2K310.0mA200mA1000mA測(cè)試儀55、爭(zhēng)論勵(lì)磁電流IB

與磁感應(yīng)強(qiáng)度BZ

的關(guān)系保持霍爾元件的工作電流IX

為10mA，霍爾元件置于電磁鐵氣隙中部，將電磁鐵的勵(lì)磁電I100mA,200mA,300mA,??，1000mA，測(cè)出相應(yīng)的霍爾電壓UB

值，再計(jì)算出相應(yīng)的BZ

值。以IB

為橫坐標(biāo)，BZ

為縱坐標(biāo)，作I~BB Z

曲線，并對(duì)曲線進(jìn)展說明。6、合上K，調(diào)整工作電流為10.0m，斷開K，將霍爾元件2、4、〕兩端分別接2 1入數(shù)字電壓表，測(cè)出電壓U 、U ，依據(jù)工〔13〕算出電導(dǎo)率〔假設(shè)U 或U 超過200mV，21 43 21 43應(yīng)減小工作電流I。Xμ 7、測(cè)定霍爾系數(shù)R、載流子濃度nμ H N Hμ依據(jù)公式6〔9〔11〕可分別計(jì)算出霍爾系數(shù)R、載流子濃n、漂移遷移率μHμ，霍爾遷移率 。μN(yùn) H五、留意事項(xiàng)和要求霍爾元件是易損元件，必需防止受壓、擠、扭、碰撞等現(xiàn)象，以免損壞元件而無法使用。試驗(yàn)前應(yīng)檢查電磁鐵和霍爾元件二維移動(dòng)尺是否松動(dòng)，緊固后使用。電磁鐵勵(lì)磁線圈通電時(shí)間不宜過長(zhǎng)，否則線圈發(fā)熱，影響測(cè)量結(jié)果。儀器不宜在強(qiáng)光照耀下、高溫或有腐蝕性氣體場(chǎng)合中使用，不宜在強(qiáng)磁場(chǎng)中存放。勵(lì)磁電流換向時(shí)必需先關(guān)閉電源。六、作業(yè)及預(yù)習(xí)要求H1R、載流子濃n、漂移遷移率μN(yùn)，霍爾遷移率μH；H2、生疏光電導(dǎo)法測(cè)試少數(shù)載流子壽命的根本原理。七、參考書目劉恩科等。半導(dǎo)體物理學(xué)國(guó)防工業(yè)出版社鄢恩公正。大學(xué)物理〔其次版〕科技出版社試驗(yàn)指導(dǎo)書試驗(yàn)名稱：試驗(yàn)二、高頻光電導(dǎo)法測(cè)少子壽命3試驗(yàn)類別：驗(yàn)證性 試驗(yàn)要求：必做一、試驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1、了解光電導(dǎo)法測(cè)試少數(shù)載流子壽命的原理，嫻熟把握LT-1高頻光電導(dǎo)少數(shù)載流子壽命測(cè)試儀的使用方法；2、測(cè)非平衡載流子的壽命。二、試驗(yàn)原理介紹處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在確定溫度下，載流子濃度是確定的。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的，有條件的。假設(shè)對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度不再是np，可以比它們多出一局部。0 0比平衡狀態(tài)多出來的這局部載流子稱為非平衡載流子，有時(shí)也稱過剩載流子。用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子的方法，稱為非平衡載流子的光注入。光注入時(shí)△n=△p 〔1〕n型材料，△n〈n，△p〈p，滿足這個(gè)條件的注入成為小注入，小注入條件下，非平衡少數(shù)載流子濃0 0度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大很多，它的影響顯得格外重要了，而相對(duì)來說非平衡多數(shù)載流子的影響可以無視。所以實(shí)際上往往是非平衡少數(shù)載流子起著重要作用，通常說的非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子。圖1 測(cè)量少數(shù)載流子壽命的電路圖光注入必定導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大，即引起附加電導(dǎo)率：△δ=△nqμ

n

=△pq〔μ+μp n

〕 〔2〕p1所示的裝置觀看。圖中電阻R比半導(dǎo)體的電阻r大得多，因此無論光照如否，通過半導(dǎo)體的電流I幾乎恒定的。半導(dǎo)體上的電壓降V=Ir。設(shè)平衡時(shí)電導(dǎo)率為δ，光照引起附加電導(dǎo)率△δ，小注入時(shí)δ

1 1+△δ≈δ，因此電阻率轉(zhuǎn)變△ρ=-

≈- ，則0 0 0

20 0l 電阻轉(zhuǎn)變△r= ≈

，其中l(wèi)，s分別為半導(dǎo)體的長(zhǎng)度和截面積。由于△r∝△δ，而s 0V=I△r，故△V∝△δ，因此△V∝△p。所以從示波器上觀測(cè)到的半導(dǎo)體上電壓降的變化就間接反映載流子濃度的變化。壽命的全稱是非平衡少數(shù)載流子壽命，它的含意是單晶在受到如光照或點(diǎn)觸發(fā)的狀況下會(huì)在外表及體內(nèi)產(chǎn)生的〔非平衡〕載流子，一當(dāng)外界作用撤消后，它們會(huì)通過單晶體內(nèi)由重金屬雜質(zhì)和缺陷形成的復(fù)合中心漸漸消逝，雜質(zhì)、缺陷愈多非平衡載流子消逝得愈快，在復(fù)合過程中少數(shù)載流子起主導(dǎo)和打算的作用。這些非平衡少數(shù)載流子在單晶體內(nèi)平均存在的時(shí)間就簡(jiǎn)稱少子壽命。非平衡載流子在撤除外界作用〔如光照〕后由于復(fù)合而漸漸消逝，△p將隨時(shí)間而變化，dp(t)單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子濃度的削減應(yīng)為dtp n

,它是由復(fù)合引起的，因此應(yīng)當(dāng)?shù)扔诜瞧胶廨d流子的復(fù)合率〔

或 ，即dp(t) pdt =-

〔3〕小注入時(shí)，是一恒量，與△p(t)無關(guān)，上式的通解為△p(t)=Ce-t/η 〔4〕t=0p(0)=(△p)00△p(t)=(△p)0

e-t/η 〔5〕其中，(△p)0

為開頭時(shí)的非平衡載流子濃度，由于復(fù)合，△p(t)隨時(shí)間而衰減。

反映了非平衡載流子平均存在的時(shí)間，即我們要測(cè)量的壽命值。三、試驗(yàn)設(shè)備介紹本試驗(yàn)承受LT-1高頻光電導(dǎo)少數(shù)載流子壽命測(cè)試儀。本儀器的測(cè)量系統(tǒng)電路示意圖如圖2所示。按測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器設(shè)備的要求，本儀器設(shè)備配有：1、光脈沖發(fā)生裝置重復(fù)頻率＞25次/s 脈寬≥60us 光脈沖關(guān)斷時(shí)間＜5us紅外光源波長(zhǎng)：1.06~1.09um〔測(cè)量硅單晶〕 脈沖光源：5A~20A2少數(shù)載流子壽命高頻光電導(dǎo)衰減法測(cè)量電路示意圖2、高頻源頻率：30MHZ 低輸出阻抗 輸出功率＞1W3、放大器和檢波器頻率響應(yīng)：3Hz~1MHz4、配用示波器配用示波器：頻帶寬度不低于10MHz Y軸增益及掃描速度均應(yīng)連續(xù)可調(diào)如測(cè)量鍺單晶壽命需另行配置適當(dāng)波長(zhǎng)的光源5、儀器配有兩種光源電極臺(tái)即可測(cè)縱向放置單晶，亦可測(cè)豎放單晶橫截面的壽命。少子的復(fù)合過程即可以發(fā)生在單晶體內(nèi)也發(fā)生在外表，我們?cè)谑静ㄆ魃峡吹降乃p曲線，已是通過LT-1壽命儀將非平衡載流子濃度的變化轉(zhuǎn)換為光電導(dǎo)電壓的變化：△V=△V0e-t/η 〔7〕V〔t〕=0VYV為6〔或6c1/e后為2.2V00

t=6/e=2.2，因此壽命值就是衰減曲線通過〔0，6〕和〔D，2.2〕兩個(gè)〔X，Y〕坐標(biāo)點(diǎn)之間的掃描時(shí)間。四、試驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、開機(jī)前檢查電源開關(guān)、電源開關(guān)是否處于關(guān)斷狀態(tài)“0”在高位——關(guān)態(tài)在使用儀信號(hào)輸出端與示波器通道1〔CH1〕背板的保險(xiǎn)管帽，插好電源線。2、翻開壽命儀電源開關(guān)1電極尖端點(diǎn)上兩滴自來水，后將單晶放在電極上預(yù)備測(cè)量。3、開啟脈沖光源開關(guān)〔光強(qiáng)調(diào)整在延時(shí)十秒左右〔儲(chǔ)能電容完成充電〕數(shù)值上升。測(cè)量數(shù)千歐姆●厘米的高阻單晶時(shí)，光強(qiáng)電壓只要用到5V左右；測(cè)量數(shù)十歐姆●厘米的單10V5～10V圖3 圖45源工作電壓上升，光強(qiáng)增加，最高可調(diào)到20V，此時(shí)流經(jīng)發(fā)光管的電流高達(dá)20A，因此不能在此條件下長(zhǎng)期工作。特別要留意的是光強(qiáng)調(diào)整開關(guān)開啟后，紅外發(fā)光管已經(jīng)通入很大的脈沖電流，此時(shí)，切勿再關(guān)或開光源開關(guān)，以免損壞昂貴的發(fā)光管。只有光強(qiáng)調(diào)整電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到關(guān)斷狀態(tài)〔會(huì)聽到響聲〕再關(guān)或開光源開關(guān)。4、調(diào)整示波器上的衰減曲線壽命儀電源開關(guān)在開啟瞬間，由于機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)電容、濾波電容均處于充電狀態(tài)，是一個(gè)不穩(wěn)定的過程，因此示波器屏上會(huì)消滅短時(shí)間雜亂不穩(wěn)的波形，待充電完成后示波屏上消滅一條較細(xì)的水平線時(shí)，壽命儀才進(jìn)入工作狀態(tài)。因此使用前請(qǐng)開機(jī)預(yù)熱2～3曲線頭部是外表復(fù)合起主導(dǎo)作用，而我們要測(cè)量的是體壽命，因此在壽命測(cè)量時(shí)，我們調(diào)整水平位移、垂直放大、時(shí)間基準(zhǔn)掃描速度，直到觀看的曲線與標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)曲線盡可能吻合時(shí)，才能認(rèn)為這段曲線才是讀取壽命值的真實(shí)依據(jù)。假設(shè)覺察曲線頭部有一段比后面衰減更快的曲線，此時(shí)應(yīng)把這局部上升到標(biāo)準(zhǔn)曲線之外，用后面反映體內(nèi)復(fù)合的曲線讀取壽命值。當(dāng)示波器上消滅不穩(wěn)定的波形，調(diào)整示波器同步〔觸發(fā)水平把握〕旋鈕，使壽命儀輸出信號(hào)能完整地顯示在示波器上，調(diào)整Y軸上下移動(dòng)旋鈕使指數(shù)衰減曲線的尾部與標(biāo)準(zhǔn)曲線的X軸相切〔不相交掃描速度微調(diào)使衰減曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線〔圖3〕完全重合，假設(shè)無法做到，請(qǐng)調(diào)高Y軸增益讓曲線頭部上升到標(biāo)準(zhǔn)曲線以上，用后面大局部曲線來重疊標(biāo)準(zhǔn)曲線〔圖4頭部消滅平頂現(xiàn)象〔圖，說明信號(hào)太大，應(yīng)減弱光強(qiáng)在小信號(hào)下進(jìn)展測(cè)量。5、讀數(shù)待示波器上的衰減曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線重合后，使掃描速度微調(diào)旋鈕歸零。假設(shè)衰減曲線移動(dòng)，保持衰減曲線的曲率不變，調(diào)整衰減曲線的水平、垂直位置使曲線通過〔0，6〕點(diǎn)。而壽命值就是衰減曲線通過〔0，6〕和〔D，2.2〕兩個(gè)〔X，Y〕坐標(biāo)點(diǎn)之間的掃描時(shí)間。觀看衰減曲線1/eV〔Y=2.2cm〕水平線上的交點(diǎn)，讀出交點(diǎn)離標(biāo)準(zhǔn)曲線Y平距離D，壽命值=D×S 〔6〕S 示波器時(shí)間基準(zhǔn)掃描速度，單位us/cmms/cm。6、轉(zhuǎn)變光強(qiáng)不更換單晶，重復(fù)步驟4，5，讀取不同光強(qiáng)的少數(shù)載流子壽命值，計(jì)算測(cè)試值與實(shí)際壽命值間的誤差。7、更換單晶樣品重復(fù)步驟4，5，6。更換單晶測(cè)量時(shí)無須再開關(guān)儀器。如覺察信號(hào)不佳時(shí)，請(qǐng)先考慮補(bǔ)充兩個(gè)金屬電極尖端的水滴，但留意水滴不要流入出光孔。五、留意事項(xiàng)和要求1、光強(qiáng)調(diào)整電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到關(guān)斷狀態(tài)〔會(huì)聽到響聲〕再關(guān)或開光源開關(guān)。2、補(bǔ)充兩個(gè)金屬電極尖端的水滴時(shí)，留意水滴不要流入出光孔3、長(zhǎng)期使用后，鈹青銅會(huì)氧化變黑，此時(shí)如加水也不能改善信號(hào)波形，請(qǐng)用金屬砂紙〔或細(xì)砂紙〕打磨發(fā)黑部份，并將擦下的黑灰用酒精棉簽擦靜。六、作業(yè)及預(yù)習(xí)要求1、承受屢次測(cè)量取平均值的方法，計(jì)算測(cè)試的樣品壽命值與實(shí)際壽命的誤差2、生疏橢圓偏振法測(cè)薄膜厚度的原理七、參考書目劉恩科等。半導(dǎo)體物理學(xué)國(guó)防工業(yè)出版社硅和鍺體內(nèi)少數(shù)載流子壽命測(cè)定光電導(dǎo)衰減法——國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)視局硅和鍺體內(nèi)少數(shù)載流子壽命的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法——ASTMF28-75試驗(yàn)指導(dǎo)書試驗(yàn)名稱：4試驗(yàn)類別：驗(yàn)證性 試驗(yàn)要求：必做一、試驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1、結(jié)合傳統(tǒng)的測(cè)試方法去理解自動(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀的工作原理，并且生疏其操作的軟件平臺(tái)，懂得在消滅誤差的時(shí)候找出緣由；二、試驗(yàn)原理介紹由激光器發(fā)出確定波長(zhǎng)〔λ=6328?〕的激光束，經(jīng)過起偏器后變?yōu)榫€偏振光，并確定其偏振方向。激光管激光管接收管屏幕起偏器線偏光檢偏器1/4波片橢偏光偏正光樣品1橢偏儀的構(gòu)造圖1/4波長(zhǎng)片，由于雙折射現(xiàn)象，使其分解成相互垂直的PS波，成為橢圓偏振光，橢圓的外形由起偏器的方位角打算。橢圓偏振光以確定角度入射到樣品上，經(jīng)過樣品外表和多層介質(zhì)〔包括襯底——介質(zhì)——空氣〕的來回反射與折射，總的反射光束一般仍為橢圓偏振光，但橢圓的外形和方位轉(zhuǎn)變了。一般用Φ和Δ來描述反射時(shí)偏振狀態(tài)的變化，其定義為：tgei

R pRstgΦ的物理意義是P波和S波的振幅之比在反射前后的變化Δ的物理意義是P波和SR和R分別p s為P波初量和S波重量的總反射系數(shù)。橢偏儀的構(gòu)造圖如圖1所示。在波長(zhǎng)、入射角、襯底等參數(shù)確定時(shí)，Φ和Δ是膜厚d和折射率n的函數(shù)。對(duì)確定厚度的某種膜，旋轉(zhuǎn)起偏器總可以找到某一方位角，使反射光變?yōu)榫€偏振光。這時(shí)再轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，當(dāng)檢偏器的方位角與樣品上的反射光的偏振方向垂直時(shí)，光束不通過，消滅消光現(xiàn)象。消光時(shí)，ΔΦ分別由起偏器的方位角P和檢偏器的方位角A打算。把PA值分別換算成Δ和Φ后，利用公式和圖表就可得到透亮膜的折射率n和膜厚度d。前面我們表達(dá)的是傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)試的橢偏法。但我們的試驗(yàn)儀器是自動(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀?，F(xiàn)在我們結(jié)合實(shí)際儀器進(jìn)展試驗(yàn)的講解。儀器的原理2LM1L：光源；M12LM1L：光源；M1；M2；P：起偏器；C：1/4波片；S：樣品；1A：檢偏器；D：接收器21、入射光柵；2、接收光柵；3、調(diào)整光欄〔調(diào)整光路時(shí)使用，尋常摘下〕2自動(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀光路圖ACP3——21——— M—DS主要原理如下：橢圓偏振光可視為兩個(gè)沿同一方向z傳播的振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光〔3所示，一個(gè)電矢量為E

、一個(gè)為E〕的合成：xE AxX E Ay y

cos(tkz),cos(tkz),AA表示振幅，ω為兩光波的角頻率，t表示時(shí)間，k為波矢的數(shù)值，ε是兩波的相對(duì)x yEA、xAyε打算，假設(shè)僅在某一確定的波振面內(nèi)觀察考慮正橢圓偏振光，則可寫成：E Acos t,x xE Acos(ty y

)A2 y

sint.電矢量E的端點(diǎn)的軌跡為

x2+y2=1a2 b2x=E，y=E；a=A，b=A

分別為橢圓的兩個(gè)半軸。x y x yEEEEyExEξEyФEx334測(cè)定了a，b也就確定了橢圓的外形。電矢量振幅大小一般是以測(cè)定光強(qiáng)來確定的。ξ與x軸成Φ〔圖4，透過檢偏器的光強(qiáng)為：I|E|2 ，EξEξ方向上的投影，|Eξ|為其幅值EE

cosEy

sia coscost sn令

cos, bsin

sin,a2cos2a2cos2b2sin2得 Ia2cos2b2sin2所以式所表示的I與 的關(guān)

x軸或y軸時(shí)，I有極值3I a2(0,),Ix

, ),2 2其極值一為極大一為微小這就是說只要轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器測(cè)出透過檢偏器的光強(qiáng)極大值I 和max極少值I ，即可求出a，b的相對(duì)值，從而測(cè)定了橢圓的外形。min那么，儀器采集到的光強(qiáng)及對(duì)應(yīng)的角度值傳送到計(jì)算機(jī)，再接收由計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令逐步靠近消光點(diǎn)。依據(jù)橢圓的外形和方位的轉(zhuǎn)變，我們的軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)算出和，再依據(jù)儲(chǔ)存在里面的值表和曲線自動(dòng)計(jì)算出來薄膜的厚度d和折射率n。三、試驗(yàn)設(shè)備介紹本儀器分為光源、接收器、主機(jī)、電子及通訊四局部。1、光源：承受波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光光源，其特點(diǎn)是：光強(qiáng)大、光譜純、波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。2、接收器：承受光電倍增管，把光訊號(hào)變?yōu)殡娪嵦?hào)，經(jīng)放大后輸出至微機(jī)，由微機(jī)選擇出消光位置的角度值。3、主機(jī)局部：除以上兩項(xiàng)外，還有起偏組件，樣品臺(tái)，檢偏組件。4、電子及通訊局部：采集光強(qiáng)及對(duì)應(yīng)的角度值并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再接收由計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令逐步靠近消光點(diǎn)。四、試驗(yàn)內(nèi)容和步驟主機(jī)局部的使用1、接通主機(jī)電源；2、將主機(jī)上的各條線與下部對(duì)應(yīng)的插座連接好；3、翻開主機(jī)開關(guān)，面板上的電源指示燈及開關(guān)內(nèi)的指示燈同時(shí)亮起；4USBUSB狀態(tài)指示燈亮起，并且電腦右下角的托盤中消滅USB設(shè)備的圖標(biāo)；5、假設(shè)儀器校正做完后沒有再次移動(dòng)儀器則可以直接將樣品放在樣品臺(tái)上，放置樣品時(shí)，首先拉動(dòng)樣品臺(tái)前方的手鈕使樣品夾離開固定板，將樣品放入，待測(cè)外表朝向固定板，將待測(cè)點(diǎn)放置在橫向開槽的正中及固定塊的中線上〔也可直接觀看光束在樣品上的光點(diǎn)，使待測(cè)點(diǎn)處于光點(diǎn)中心處即可〕，然后漸漸松開手鈕，夾穩(wěn)樣品后即可進(jìn)展測(cè)量，測(cè)量后扶住樣品拉開樣品夾取下樣品，再更換其他樣品。留意：在拉開樣品夾之前請(qǐng)勿拖拉樣品以免破壞外表的鍍膜。6、在測(cè)量樣品完成后要對(duì)樣品進(jìn)展周期推斷。當(dāng)光源波長(zhǎng)為6328A°時(shí)，SiO期約為283nm期約為283nm需承受雙角度測(cè)量的方法，在單一角度的條件下無法推斷周期，測(cè)量值對(duì)應(yīng)的是第一周期內(nèi)的厚度值。7、假設(shè)周期時(shí)，可在建表法中以第一周期內(nèi)為準(zhǔn)查找出厚度，并橫向找出對(duì)應(yīng)周期以得出鍍膜的真實(shí)厚度。軟件局部的使用1、在正確安裝了儀器的配套軟件后，雙擊桌面上的圖標(biāo)翻開軟件；2、軟件的界面及具體的使用方法請(qǐng)見“軟件操作”；3、軟件操作過程中，如發(fā)生儀器運(yùn)行不正?；驘o動(dòng)作，請(qǐng)關(guān)閉并重開啟本軟件或重啟操軟件的具體使用方法1、軟件操作方法軟件安裝后，單擊”開頭”菜單或者桌面上相應(yīng)的圖標(biāo)都可以啟動(dòng)軟件。初始化界面首先顯示的是初始化界面，對(duì)硬件進(jìn)展必要的初始化，在此過程中，請(qǐng)等待。假設(shè)消滅如下畫面，則說明此時(shí)主機(jī)還未正常開啟或未與計(jì)算機(jī)正常連接此時(shí)點(diǎn)擊“確定”也可以進(jìn)入軟件，但只可以進(jìn)展建表操作；如以以以下圖示。工作界面初始化完成后，會(huì)進(jìn)入工作界面(如以以以下圖)，2、軟件界面的具體操作：主窗口下方為參數(shù)設(shè)置及結(jié)果顯示區(qū)，在此處可對(duì)光源的波長(zhǎng)、測(cè)量的入射角度、襯底的折射率、消光系數(shù)〔即折射率的虛部〕、環(huán)境折射率進(jìn)展設(shè)置，測(cè)試完成后在消光點(diǎn)一欄中還會(huì)顯示測(cè)量的消光點(diǎn)結(jié)果及誤差?！肮庠础笨蛑小懊Q”下拉菜單中可選“氦氖激光器”和“其它光源”后波長(zhǎng)欄中會(huì)自動(dòng)填入632.8nm，選中其它光源則可在“波長(zhǎng)”項(xiàng)中填入所用光源的波長(zhǎng)；“襯底”框中“名稱”下拉菜單中可選“Si襯底”和“玻璃襯底”同時(shí)下方的“襯底折射率”和“襯底消光系數(shù)”會(huì)自動(dòng)填入相應(yīng)值，選中“其它襯底”時(shí)會(huì)彈出如下窗口，在此窗口中可填入或刪除襯底名稱，填入時(shí)要在右側(cè)“添加”框內(nèi)輸入相應(yīng)的名稱、折射率、消光系數(shù)，點(diǎn)擊“添加”可找到已存儲(chǔ)底的種類最多可以存儲(chǔ)20種，點(diǎn)擊“確定”襯底名稱中會(huì)消滅剛剛建的襯底的名稱，選中后相應(yīng)的折射率及消光系數(shù)也會(huì)消滅在下方的對(duì)應(yīng)框內(nèi)，在設(shè)置好參數(shù)后才可以進(jìn)展測(cè)量。下拉菜單：把握”下的“測(cè)量襯底?”、“設(shè)置?”、鍵，具體功能請(qǐng)見按鍵功能說明；另外“檢別為：“檢索到?”：彈出如右側(cè)窗口選中的位置；“校正?”：彈出如右側(cè)窗口1/4波片”點(diǎn)后此鍵變?yōu)椤皺z測(cè)1/4波片”，再點(diǎn)擊它，儀器運(yùn)行后右側(cè)框內(nèi)會(huì)消滅起檢偏的誤差值，點(diǎn)擊“確定”軟件會(huì)關(guān)閉此窗口并保存此誤差值在測(cè)量時(shí)自動(dòng)消退此誤差；“襯底”對(duì)應(yīng)下拉菜單中的“測(cè)量襯底”點(diǎn)擊此鍵彈出如右窗口，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)點(diǎn)擊“測(cè)量”會(huì)得出“襯底折射率”、“襯底消光系數(shù)”即襯底的復(fù)折射率點(diǎn)擊“確定”關(guān)閉此窗口；“設(shè)置”點(diǎn)擊此鍵會(huì)彈出如下窗口，在此窗口中對(duì)測(cè)量方式進(jìn)展設(shè)置，默認(rèn)為“快速測(cè)量”設(shè)置完成后點(diǎn) “確定”后即可進(jìn)展測(cè)量；“復(fù)位”點(diǎn)擊此鍵后儀器的起、檢偏器自動(dòng)歸零；“開頭”點(diǎn)擊此鍵儀器開頭測(cè)量鍍膜片的起、檢偏的消光角度值，對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量方式，會(huì)以不同的形式給出測(cè)出的角度值；“停頓”在儀器運(yùn)行中點(diǎn)擊此鍵，儀器會(huì)強(qiáng)行中斷此次測(cè)量并且不返回任何值；此鍵可以關(guān)閉此軟件；式”、“去除曲線”、準(zhǔn)?”、“雙角度?”都有對(duì)應(yīng)的按鍵，具體功能請(qǐng)見按鍵功能說明；“快速測(cè)量”無按鍵，功能分別如下：對(duì)應(yīng)設(shè)置中不同的測(cè)量方式各組按鍵分別可用，中選擇“快速”時(shí)“快速測(cè)可以關(guān)閉此窗口，完畢此次測(cè)量；當(dāng)設(shè)置中選中“做圖”則“繪圖”、“切換模式”、“去除曲線”項(xiàng)為可用，同右側(cè)窗口下方的“下條曲線”功能全都，以膜厚的上、下限或折射率的上、下限為邊界，以相應(yīng)的精度為間隔，逐一畫出膜厚曲線或折射率曲線，每點(diǎn)擊一次畫出一條曲線，等膜厚曲線以藍(lán)色線顯示，等折射率曲線以黃色線顯示；“切換模式”功能：與右側(cè)窗口下方的“切換模式”式間切換，切換時(shí)原有曲線不會(huì)去除，但繪圖時(shí)是從今種模式的下限重開頭繪圖；“去除曲線”功能：與右側(cè)窗曲線以便于重繪圖。另外：在此窗口中更改任何參數(shù)有在更改橫軸及縱軸放大倍數(shù)的時(shí)候才會(huì)去除原有曲線，結(jié)果”中的“薄膜厚度”及“薄膜折射率”中，然后在“則結(jié)論為”下方的窗口中點(diǎn)擊下拉箭頭會(huì)給出各周期對(duì)應(yīng)的膜層厚度；時(shí)可先將膜厚的上下限圍設(shè)置大一些如0～300，精度設(shè)置大一些如10，折射率同樣先將上、下限分別設(shè)在1.3和2.49，精度設(shè)在0.1，橫、縱軸放大倍數(shù)均設(shè)為1001020??、300〔即中心點(diǎn)可在等膜厚繪制方式與等折射率繪制方式之間切換，切換時(shí)實(shí)時(shí)顯示結(jié)果框中也相應(yīng)的在“當(dāng)前膜厚＝”與“當(dāng)前折射率＝”之間切換，當(dāng)把膜厚與折射率都確定在確定范圍后再將膜厚與隨著放大倍數(shù)的增加，消光點(diǎn)也隨之變大，所以不能無限提高精度。測(cè)量過程中隨時(shí)可以轉(zhuǎn)變參數(shù)值，每次更改后曲線將全部去除重繪制；中選擇“查表”時(shí)“建表”可用“建表”功能：點(diǎn)擊此鍵可彈出如以以以下圖窗口對(duì)應(yīng)窗口中參數(shù)設(shè)置好之后點(diǎn)擊“建表”在右側(cè)窗口中會(huì)給出0～4000左右的參數(shù)值，右側(cè)上方的“上翻”、“下翻”可對(duì)在“薄膜折射率范圍”之內(nèi)的各張表逐一顯示；對(duì)應(yīng)窗口中參數(shù)設(shè)置好測(cè)量結(jié)果也會(huì)自動(dòng)輸入，點(diǎn)擊“建表”在右側(cè)窗口中會(huì)給出由此測(cè)量值得出的樣品厚度及折射率，右側(cè)按鍵為始終可用，功能是依據(jù)輸入的參數(shù)建一張標(biāo)準(zhǔn)的表格，以便對(duì)不同的參數(shù)狀況下起、檢偏角度變化的規(guī)律有所了解。“標(biāo)準(zhǔn)”功能：點(diǎn)擊此鍵可彈出如以以以下圖窗口對(duì)應(yīng)窗口中參數(shù)設(shè)置好之后點(diǎn)擊“建表”在右側(cè)窗口中會(huì)給出0～4000“上翻”、“下翻”可對(duì)在“薄膜折射率范圍”之內(nèi)的各張表逐一顯