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【4200 SMU應(yīng)用文章】之實(shí)例篇:測(cè)量范德堡法電阻率和霍爾電壓

2020-01-15
來源:泰克科技
關(guān)鍵詞: 測(cè)量 電阻率 霍爾電壓

  半導(dǎo)體材料研究和器件測(cè)試通常要測(cè)量樣本的電阻率霍爾電壓。半導(dǎo)體材料的電阻率主要取決于體摻雜,在器件中,,電阻率會(huì)影響電容,、串聯(lián)電阻和閾值電壓?;魻栯妷簻y(cè)量用來推導(dǎo)半導(dǎo)體類型(n還是p)、自由載流子密度和遷移率。

  為確定半導(dǎo)體范德堡法電阻率和霍爾電壓,,進(jìn)行電氣測(cè)量時(shí)需要一個(gè)電流源和一個(gè)電壓表。為自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,,一般會(huì)使用一個(gè)可編程開關(guān),,把電流源和電壓表切換到樣本的所有側(cè)。4200A-SCS參數(shù)分析儀擁有4個(gè)源測(cè)量單元(SMUs)和4個(gè)前置放大器(用于高電阻測(cè)量),,可以自動(dòng)進(jìn)行這些測(cè)量,,而不需可編程開關(guān)。用戶可以使用4個(gè)中等功率SMU (4200-SMU, 4201-SMU)或高功率SMU (4210-SMU, 4211-SMU),,對(duì)高電阻材料,,要求使用4200-PA前置放大器。4200A-SCS包括多項(xiàng)內(nèi)置測(cè)試,,在需要時(shí)把SMU的功能自動(dòng)切換到電壓表或電流源,,霍爾電壓測(cè)量要求對(duì)樣本應(yīng)用磁場(chǎng)。

  4200A-SCS包括交互軟件,,在半導(dǎo)體材料上進(jìn)行范德堡法和霍爾電壓測(cè)量,。4200A-SCS Clarius+軟件提供了全面的程序庫,除電阻率和霍爾電壓測(cè)試外,,還包括許多其他測(cè)試和項(xiàng)目,。范德堡法和霍爾電壓測(cè)試是在Clarius V1.5和V1.6中新增的,包括計(jì)算確定表面或體積電阻率,、霍爾遷移率和霍爾系數(shù),。

  范德堡法電阻率測(cè)量

  人們通常使用范德堡法(vdp)推導(dǎo)半導(dǎo)體材料的電阻率。這種四線方法用在擁有四個(gè)端子,、均勻厚度的小的扁平形樣本上,。電流通過兩個(gè)端子施加到樣本上,透過相反的兩個(gè)端子測(cè)量電壓下跌,,如圖1所示,。

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  圖1. 范德堡法配置

  使用圖2所示的SMU儀器配置,圍著樣本的邊緣重復(fù)測(cè)量8次,。

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  圖2. 范德堡法電阻率測(cè)量慣例,。

  然后使用這一串8項(xiàng)電壓測(cè)量(V1-V8)和測(cè)試電流(I)來計(jì)算電阻率(ρ),,ρA和ρB是體積電阻率,fA和fB是樣本對(duì)稱度的幾何因數(shù),,與兩個(gè)電阻比率QA和QB相關(guān),。公式如下:

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  圖3. 電阻率計(jì)算公式

  霍爾電壓測(cè)量

  霍爾電壓測(cè)量對(duì)半導(dǎo)體材料表征具有重要意義,因?yàn)閺幕魻栯妷汉碗娮杪士梢詫?dǎo)出傳導(dǎo)率類型,、載流子密度和遷移率,。在應(yīng)用磁場(chǎng)后,可以使用下面的I-V測(cè)量配置測(cè)量霍爾電壓:

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  圖4. 霍爾電壓測(cè)量配置,。

  把正磁場(chǎng)B垂直應(yīng)用到樣本,,在端子3和端子1之間應(yīng)用一個(gè)電流(I31pBp),測(cè)量端子2和端子4之間的電壓下跌(V24pBp),。顛倒電流(I31nBp),,再次測(cè)量電壓下跌(V24nBp)。這種顛倒電流方法用來校正偏置電壓,。然后,,從端子2到端子4應(yīng)用電流(I24pBp),測(cè)量端子1和端子3之間的電壓下跌(V13pBp),。顛倒電流(I24nBp),,再次測(cè)量電壓下跌(V13nBp)。顛倒磁場(chǎng)Bn,,再次重復(fù)這一過程,,測(cè)量電壓下跌V24pBn、V24nBn,、V13pBn和V13nBn,。

  從8項(xiàng)霍爾電壓測(cè)量中,可以使用下面的公式計(jì)算平均霍爾系數(shù),,RHC和RHD是霍爾系數(shù)(cm3/C),,計(jì)算出RHC和RHD后,可以通過下面的公式確定平均霍爾系數(shù)(RHAVG),,從范德堡法電阻率(ρAVG)(表示為輸出參數(shù)Volume_Resistivity)和霍爾系數(shù)(RHAVG)中,,可以計(jì)算出霍爾遷移率(μH)。

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  使用4200A測(cè)量范德堡法電阻率和霍爾電壓

  4200A-SCS配有四個(gè)SMU和前置放大器,,簡(jiǎn)化了范德堡法和霍爾電壓測(cè)量,,因?yàn)樗囗?xiàng)內(nèi)置測(cè)試,可以自動(dòng)完成這些測(cè)量,。在使用這些內(nèi)置測(cè)試時(shí),四個(gè)SMUs連接到樣本的四個(gè)端子上,,如圖5所示,。對(duì)每項(xiàng)測(cè)量,,每個(gè)SMU的功能會(huì)在電流源、電壓表或公共之間變化,。先測(cè)量八項(xiàng)測(cè)試中每項(xiàng)測(cè)試的電壓下跌和測(cè)試電流,,然后導(dǎo)出電阻率或霍爾系數(shù)?;魻栯妷簻y(cè)量要求對(duì)樣本應(yīng)用一個(gè)磁場(chǎng),。

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  圖5. 四個(gè)SMUs連接到被測(cè)樣本的四個(gè)端子上。

  Clarius+測(cè)試庫包括范德堡法和霍爾遷移率測(cè)量的測(cè)試,。在Select視圖中,,可以使用屏幕右側(cè)Material材料過濾器,在Test Library測(cè)試庫中找到這些測(cè)試,,如圖6所示,。選擇測(cè)試,然后選擇Add添加,,可以把這些測(cè)試添加到項(xiàng)目樹中,。這些測(cè)試從vdpulib用戶程序庫中的用戶模塊創(chuàng)建。

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  圖6. 選擇范德堡法電阻率和霍爾系數(shù)測(cè)試,。

  可以使用范德堡法表面和體積電阻率測(cè)試,。測(cè)試庫有兩項(xiàng)電阻率測(cè)試:vdp-surface-resistivity和vdp-volume-resistivity。vdp-surface-resistivity測(cè)試測(cè)量和計(jì)算電阻率,,單位為Ω/square,。對(duì)vdp-volume-resistivity測(cè)試,用戶必須輸入樣本厚度,,然后計(jì)算出電阻率,,單位為Ω-cm。對(duì)這兩項(xiàng)測(cè)試,,都強(qiáng)制應(yīng)用電流,,進(jìn)行8項(xiàng)電壓測(cè)量。

  還可以使用霍爾系數(shù)測(cè)試,。使用四臺(tái)SMU儀器,,強(qiáng)制應(yīng)用電流,使用正負(fù)磁場(chǎng)進(jìn)行8項(xiàng)電壓測(cè)量,。磁場(chǎng)使用固定磁鐵生成,,會(huì)提示用戶顛倒磁場(chǎng)??梢栽跍y(cè)試庫中找到hall-coefficient測(cè)試,,添加到項(xiàng)目樹中。

  為成功地進(jìn)行電阻率測(cè)量,,我們必需考慮潛在的錯(cuò)誤來源,。主要為靜電干擾,、泄漏電流、光線,、溫度,、載流子注入等。1)靜電干擾:當(dāng)帶電物體放到不帶電物體附近時(shí),,會(huì)發(fā)生靜電干擾,。通常情況下,干擾的影響并不顯著,,因?yàn)殡姾稍诘碗娮钑r(shí)會(huì)迅速消散,。但是,高電阻材料不允許電荷迅速衰退,,所以可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不穩(wěn)定,。由于DC或DC靜電場(chǎng),可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的讀數(shù),。2)泄漏電流:對(duì)高電阻樣本,,泄漏電流可能會(huì)劣化測(cè)量,泄漏電流源于電纜,、探頭和測(cè)試夾具的絕緣電阻,,通過使用優(yōu)質(zhì)絕緣體、降低濕度,、使用保護(hù)裝置等,,可以最大限度地降低泄漏電流。3)光線:光敏效應(yīng)產(chǎn)生的電流可能會(huì)劣化測(cè)量,,特別是在高電阻樣本上,。為防止這種效應(yīng),應(yīng)把樣本放在暗艙中,。4)溫度:熱電電壓也可能會(huì)影響測(cè)量精度,,源電流導(dǎo)致的樣本變熱也可能會(huì)產(chǎn)生熱電電壓,實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的溫度波動(dòng)也可能會(huì)影響測(cè)量,。由于半導(dǎo)體的溫度系數(shù)相對(duì)較大,,所以可能需要使用校正因數(shù),補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)室中的溫度變化,。5)載流子注入:此外,,為防止少數(shù)/多數(shù)載流子注入影響電阻率測(cè)量,兩個(gè)電壓傳感端子之間的電壓差應(yīng)保持在100mV以下,,理想情況下是25mV,,因?yàn)闊犭妷簁t/q約為26mV。在不影響測(cè)量精度的情況下,,測(cè)試電流應(yīng)盡可能低,。

  通過使用四個(gè)SMUs和內(nèi)置測(cè)試,,可以利用4200A-SCS參數(shù)分析儀簡(jiǎn)便地在半導(dǎo)體材料上實(shí)現(xiàn)范德堡法測(cè)量,。通過使用用戶提供的磁鐵,,還可以確定霍爾遷移率。如果想測(cè)試低電阻材料(如導(dǎo)體),,可以使用基于Keithley 3765霍爾效應(yīng)卡的系統(tǒng),,包括2182A納伏表。了解4200更多信息,,來這里https://www.tek.com.cn/keithley-4200a-scs-parameter-analyzer,。


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