半导体材料电学参数测量(electric parameter measurement for semiconductor material)  

电学参数是半导体材料钡0量的重要内容。它主要包括导电类型、电阻率、寿命和迁移率测量。

导电类型测量   半导体的导电过程存在电子和空穴两种载流子。多数载流子是电子的称n型半导体；多数载流子是空穴的称p型半导体。测量导电类型就是确定半导体材料中多数载流子的类别。常用的方法有冷热探针法、整流法等。冷热探针法是利用温差电效应的原理，将两根温度不同的探针与半导体材料表面接触，两探针间外接检流计(或数字电压表)形成一闭合回路，根据两个接触点处存在温差所引起的温差电流(或温差电压)的方向可以确定导电类型。整流法是利用金属探针与半导体材料表面容易构成整流接触的特点，可根据检流计的偏转方向或示波器的波形测定导电类型。常用三探针或四探针实现整流接触。霍耳效应亦可测定半导体材料的导电类型。

电阻率测量电阻率是长1cm，截面积1cm²材料的电阻，它反映了半导体材料导电能力的大小。测量电半阻率的方法较多，最基本的有两探针法、直线四探针法、扩展电阻法和专门用于薄片状半导体材料的范德堡法等。两探针法是在一电阻率均匀的规则样品上通过恒定的直流电流，两根沿电流方向排列的探针与样品压触，测量两根探针间的电位差(图1)。

式中V_T为探针间的电位差，mV；I为通过样品的直流电流，mA；A为样品截面积，cm²；L为探针间距，cm。直线四探针法是用一直线排列的四根探针与一相对于探针间距是半无穷大的样品表面压触，外面探针通过恒定直流电流，测定中间两根探针的电位差(图2)。

图2四探针法测量半导体电阻率示意图

样品的电阻率可用下式计算：式中S为探针系数，cm；V₂₃为中间两根探针电位差的测量值，mV；I₁₄。为通过样品的电流，mA；对于直线排列的四探针，探针系数S为：式中S₁、S₂和S₃分别为相应的探针间的距离，cm。应用直线四探针法测量时，还必须考虑样品的边界影响和由探针游移引起的误差。扩展电阻法是利用单根探针与半导体材料接触时，电流展开效应引起的扩展电阻，在接触状态不变时仅与半导体材料电阻率有关的原理：

式中R_S为扩展电阻，Ω；ρ为样品电阻率，Ωcm；ɑ为有效电接触半径，cm。扩展电阻法对测量半导体材料微区电阻率尤为重要，它可以确定体积为10-¹⁰cm。区域的电阻率，分辨率可达1μm。因此适用于抛光片、单层或多层结构外延层电阻率的测量，还可依此确定外延层(或扩散层)的厚度和过渡区的宽度。范德堡法适用于薄片状样品的电阻率测试，它要求样品的厚度和电阻率均匀，且无空洞。可在样品的边缘上制备A、B、C、D四个触点，并尽量注意。任意相邻的两点，如AB间通电流I_AB，测量另一对触点V_DC，有R₁=V_DC／I_AB；在BC问通电流I_BC，测量AD间的电位差V_AD，有R₂=V_AD／I_BC。可得到薄片状样品的电阻率：式中d为样品厚度，cm；f(R₁/R₂)为修正系数，称为范德堡函数，可从计算或查表得到。

寿命测量   非平衡少数载流子从注入到因复合而消失，所经历的时间的统计平均值称为非平衡少数载流子寿命，简称寿命。寿命值与半导体材料中的重金属杂质(如铜、金、镍等)含量、晶体结构的完整性及材料电阻率有密切的关系，因此寿命值也是表征半导体材料电学性能的主要参数之一。少子寿命的直观定义是：如果稳定地向半导体中注入非平衡少数载流子，从停止注入起，少子浓度因复合而减少到起始值的1／e所需的时间。测量少子寿命的方法较多，应用最广泛的是光电导衰退法，又可按信号的获取方法不同而分为直流光电导法和高频光电导法。光电导衰退法是利用一定波长的脉冲光在半导体材料内激发出非平衡少数载流子，引起样品的电导率改变，即通过样品的电流或样品上的压降发生变化。根据电流或电压信号的衰退规律测量非平衡少数载流子的寿命。直流光电导法其样品外加电压是直流电压。高频光电导法其样品外加电压是高频电压。直流光电导法需要制备良好的电极接触，而高频光电导法则不需要，使用更方便，因而使用更加广泛。

迁移率测量   半导体中存在外加电场时，载流子在电场中作漂移运动。低电场下，载流子的漂移速度与电场强度成正比，单位电场作用下，载流子获得的漂移速度称载流子的漂移迁移率μ(又称电导迁移率)。迁移率与半导体材料中的杂质浓度、缺陷密度及温度有关。漂移迁移率的测量需在样品上制备两个有一定间距的整流接触，并使其分别处于正向和反向偏置状态。正向偏置结外加一正向脉冲电压，即有少数载流子注入，反向偏置结收集少数载流子。可根据示波器观察少子收集的波形，并计算出少子的漂移迁移率。亦可以从霍耳系数计算出霍耳迁移率μ_H来，它与漂移迁移率(或电导迁移率)之间有如下关系：。式中μ_C和μ_H分别是漂移迁移率和霍耳迁移率，cm²／(v•s)；r称为霍耳因子，主要与散射机构、样品温度、能带结构及磁场强度等有关，它是按近于1的比例系数。因此常用霍耳迁移率代替漂移迁移率(见半导体材料霍耳系数测量)。