北京工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體物理7個(gè)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí).

1、實(shí)驗(yàn)一 四探針?lè)y(cè)量半導(dǎo)體電阻率和薄層電阻 12023110 王寧12023117張祚12023120于娜一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握四探針?lè)y(cè)量材料電阻率和薄層電阻的測(cè)量原理及方法，針對(duì)不同幾何尺寸的樣品，掌握其修正方法; 了解影響電阻率測(cè)量的各種因素及改進(jìn)措施;了解熱探針?lè)ㄅ袛喟雽?dǎo)體材料的導(dǎo)電類型以及用陽(yáng)極氧化剝層法求擴(kuò)散層中的雜質(zhì)濃度分布。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其在本實(shí)驗(yàn)中的作用設(shè)備名稱型號(hào)用途千分尺測(cè)量樣品幾何尺寸決定其修正系數(shù)讀數(shù)顯微鏡測(cè)量樣品幾何尺寸決定其修正系數(shù)四探針測(cè)試儀得其電阻率、方塊電阻及標(biāo)準(zhǔn)差三、實(shí)驗(yàn)原理 2.1半導(dǎo)體材料的電阻率 在半無(wú)窮大樣品上的點(diǎn)電流源，若樣品的電阻率均勻，引入點(diǎn)電流

2、源的探針其電流強(qiáng)度為I，則所產(chǎn)生的電力線具有球面的對(duì)稱性，即等位面為一系列以點(diǎn)電流為中心的半球面。 在以r為半徑的半球面上，電流密度j的分布是均勻的： 若E為r處的電場(chǎng)強(qiáng)度，則： 由電場(chǎng)強(qiáng)度和電位梯度以及球面的對(duì)稱關(guān)系，則 取r為無(wú)窮遠(yuǎn)處的電位為零，則 所以 上式就是半無(wú)窮大均勻樣品上離開(kāi)點(diǎn)電流源距離為的點(diǎn)的電位與探針流過(guò)的電流和樣品電阻率的關(guān)系式，它代表了一個(gè)點(diǎn)電流源對(duì)距離處的點(diǎn)的電勢(shì)的貢獻(xiàn)。 對(duì)于圖1.2所示的情形，四根探針位于樣品中央，電流從探針1流入，從探針4流出，則可將1和4探針認(rèn)為是點(diǎn)電流源，由(1.6)式可知，2和3探針的電位為： 2、3探針的電位差為： 由此可得樣品的電阻率為

3、上式就是利用直流四探針?lè)y(cè)量電阻率的普遍公式。只需測(cè)出流過(guò)1、4探針的電流I以及2、3 探針間的電位差V23，代入四根探針的間距，就可以求出該樣品的電阻率。 實(shí)際測(cè)量中，最常用的是直線型四探針，即四根探針的針尖位于同一直線上，并且間距相等，設(shè)r12=r23=r34=S，則有： 需要指出的是：這一公式是在半無(wú)限大樣品的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的，實(shí)用中必需滿足樣品厚度及邊緣與探針之間的最近距離大于四倍探針間距，這樣才能使該式具有足夠的精確度。如果被測(cè)樣品不是半無(wú)窮大，而是厚度，橫向尺寸一定，這時(shí)利用四探針?lè)y(cè)量電阻率時(shí)，就不能直接采用公式(1.9),進(jìn)一步的分析表明，在四探針?lè)ㄖ兄灰獙?duì)公式引入適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)B

4、0即可，此時(shí)： B0的數(shù)值，與樣品的尺寸及所處的條件有關(guān)。為便于查找，已列表格，見(jiàn)表1、2。另一種情況是極薄樣品，它是指樣品厚度d比探針間距小很多，而橫向尺寸為無(wú)窮大的樣品，如圖1.4所示，這時(shí)從探針1流入和從探針4流出的電流，其等位面近似為圓柱面（高為d,任一等位面的半徑設(shè)為r），類似于上面對(duì)半無(wú)窮大樣品的推導(dǎo)，很容易得出當(dāng)r12=r23=r34=S時(shí)，極薄樣品的電阻率為： 上式說(shuō)明：對(duì)于極薄樣品，在等間距探針情況下、探針間距和測(cè)量結(jié)果無(wú)關(guān)，電阻率和被測(cè)樣品的厚度d成正比。 2.2擴(kuò)散層的薄層電阻 半導(dǎo)體工藝中普遍采用四探針?lè)y(cè)量擴(kuò)散層的薄層電阻，由于反向pn結(jié)的隔離作用，擴(kuò)散層下的襯底可視

5、為絕緣層，對(duì)于擴(kuò)散層厚度（即結(jié)深Xj）遠(yuǎn)小于探針間距S，而橫向尺寸無(wú)限大的樣品，則薄層電阻率為： 實(shí)際工作中，直接測(cè)量擴(kuò)散層的薄層電阻，又稱方塊電阻，其定義就是表面為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向所呈現(xiàn)的電阻，見(jiàn)圖1.5。所以 因此，上上式變?yōu)?實(shí)際的擴(kuò)散片尺寸一般不很大，并且實(shí)際的擴(kuò)散片又有單面擴(kuò)散與雙面擴(kuò)散之分，因此，需要對(duì)上式進(jìn)行修正，修正后的公式為（式中B0為修正系數(shù)）四、實(shí)驗(yàn)步驟 4.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 (1) 按要求連接號(hào)測(cè)量線路； (2) 將被測(cè)樣品表面用金剛砂研磨（單晶硅樣品）,用去離子水沖洗后，再用酒精棉球擦洗干凈，晾干。處理后就可以獲得新磨的測(cè)試面，以使探針和樣品實(shí)現(xiàn)較好的歐姆接觸

6、； 注意：操作中保持樣品清潔，不要用手觸摸樣品表面。 (3) 用千分尺及讀數(shù)顯微鏡測(cè)量樣品的幾何尺寸，決定其修正系數(shù)。4.2 測(cè)量階段圖1.6打開(kāi)測(cè)試程序示意圖(1)開(kāi)機(jī)：按下測(cè)試儀的電源開(kāi)關(guān)；打開(kāi)測(cè)試程序：雙擊桌面四探針測(cè)試程序圖標(biāo)，點(diǎn)選“確定”按鈕，程序運(yùn)行如圖1.6；(2)打開(kāi)“四探針實(shí)驗(yàn).mdb”文件，程序運(yùn)行如圖1.7；圖1.7程序運(yùn)行示意圖1 選定“001”，然后單擊“選定數(shù)據(jù)表”，即可進(jìn)入測(cè)試程序的參數(shù)選擇界面，或者新建數(shù)據(jù)表，程序運(yùn)行如圖1.8； 圖1.8程序運(yùn)行示意圖2(3)測(cè)量樣品：a選擇參數(shù)一欄按上圖填寫(xiě)；b輸入?yún)?shù)一欄根據(jù)你所要測(cè)量的片子的厚度填寫(xiě)片厚；c打星號(hào)的幾項(xiàng)任

7、意填寫(xiě)d點(diǎn)擊測(cè)量控制一欄的“測(cè)試測(cè)量”即可測(cè)量，自動(dòng)彈出測(cè)量結(jié)果，如圖1.9所示：圖1.9程序運(yùn)行示意圖2 (4)測(cè)量中出現(xiàn)的問(wèn)題的說(shuō)明：在報(bào)警區(qū)如果所有的指示燈都為綠色，即可測(cè)出結(jié)果；下面對(duì)幾種經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題給予細(xì)致的解釋： a恒流輸出錯(cuò)誤： 處理方法：調(diào)整待測(cè)片子的位置：點(diǎn)擊探針上升、下降即可； 將“恒流源”改為0.1mA。 b結(jié)果精度不夠請(qǐng)重新選擇參數(shù)，處理方法：調(diào)整恒流源和放大倍數(shù)大小。 圖1.10程序運(yùn)行示意圖3 c保存記錄時(shí)出現(xiàn)的請(qǐng)您登錄畫(huà)面，處理方法：菜單-系統(tǒng)管理-用戶登錄界面，點(diǎn)擊“確定”即可。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄電阻率方塊電阻標(biāo)準(zhǔn)差電阻率方塊電阻標(biāo)準(zhǔn)差電阻電阻率率方塊電阻標(biāo)準(zhǔn)

8、差電阻率的波動(dòng)圖：五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄 1給定3個(gè)樣品，各測(cè)量10個(gè)不同點(diǎn)，得到其電阻率、方塊電阻及標(biāo)準(zhǔn)差，畫(huà)出電阻率的波動(dòng)圖； 2單晶斷面電阻率不均勻度E的計(jì)算公式為： 3計(jì)算擴(kuò)散情況不同的樣品的薄層電阻。實(shí)驗(yàn)二半導(dǎo)體霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率測(cè)量 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解霍爾效應(yīng)的基本原理，測(cè)量霍爾元件不等位電勢(shì)，驗(yàn)證勵(lì)磁電流 ICM 及霍爾控制電流 ICH 與霍爾系數(shù)的線性關(guān)系，判定霍爾元件的類型，計(jì)算霍爾元件的霍爾系數(shù)、載流子濃度等。二實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其在本實(shí)驗(yàn)中作用設(shè)備名稱設(shè)備名稱型號(hào)型號(hào)用途用途霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置SH500-A調(diào)節(jié)霍爾控制電流測(cè)量霍爾元件不等位電勢(shì)測(cè)量霍爾電壓 三、實(shí)驗(yàn)原理 霍爾元件的作用如

9、圖 ，若電流 I 流過(guò)厚度為 d 的半導(dǎo)體薄片，且磁場(chǎng) B 垂直作用于該半導(dǎo)體，則電子流的方向?qū)⒂捎诼鍌惼澚ψ饔枚l(fā)生改變，在薄片兩個(gè)橫向截面之間產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。在與電流 I ，磁場(chǎng) B 垂直的方向產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)差，通常用 VH 表示，其表達(dá)式為+ 式中，KH 稱為霍爾元件的靈敏度；RH 是由半導(dǎo)體本身電子遷移率決定的物理常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)；B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位特斯拉）；I 為電流強(qiáng)度（單位安培）。+ 理論上霍爾元件在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，VH=0，但實(shí)際情況測(cè)得數(shù)值并不為零，這是半導(dǎo)體材料結(jié)晶不均勻、副效應(yīng)以及各電極不對(duì)稱等引起的電勢(shì)差，稱為剩余電壓。+ 實(shí)驗(yàn)用國(guó)產(chǎn)霍爾

10、元件為硅，N 型半導(dǎo)體材料，晶片尺寸長(zhǎng) L 寬 b厚 d=3.61.80.22m，實(shí)驗(yàn)時(shí)霍爾額定工作電流 10mA，不宜長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)額定電流工作。1、3 端為電流輸人，2、4 端為電壓輸出，在探頭印板上霍爾元件 4 個(gè)角分別接 470的限流保護(hù)電阻，在測(cè)量霍爾片的電導(dǎo)率，確定材料的載流子濃度和遷移率等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)予以考慮。+ 四實(shí)驗(yàn)步驟+ 1斷開(kāi)勵(lì)磁線圈電流，調(diào)節(jié)霍爾控制電流 ICH=10mA，測(cè)量霍爾元件不等位電勢(shì)。短路中間電壓表的正負(fù)輸人，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使電壓顯示 00.00mV 。斷開(kāi)勵(lì)磁電流，調(diào)節(jié)霍爾元件離開(kāi)電磁鐵以免電磁鐵剩磁影響測(cè)量數(shù)據(jù)。+ 調(diào)節(jié) ICH=10mA，連接好電壓表和霍

11、爾輸出接線柱，記錄數(shù)據(jù)。+ 2測(cè)量霍爾電壓，調(diào)節(jié)電磁鐵勵(lì)磁電流 ICM=400mA，霍爾控制電流 ICH=1.00,2.00,3.00,4.00,5.00,6.00,7.00,8.00,9.00,10.00mA，測(cè)量霍爾電壓，然后繪制 ICH-VH 曲線。+ (1) 連接好實(shí)驗(yàn)裝置與電源的連線，調(diào)節(jié)霍爾元件在氣隙里的位置、角度，使顯示的數(shù)據(jù)最大。+ (2) 調(diào)節(jié) ICM=400mA，依次改變 ICM 的方向，改變 ICH 的方向。+ (3) 記錄數(shù)據(jù)，繪制 ICH-VH，曲線。 + 3調(diào)節(jié) ICH=10mA，調(diào)節(jié) ICM=50,100,200,300,400,500,600,700,800,9

12、00,1000mA，測(cè)量VH，然后繪制 ICM-VH 曲線，驗(yàn)證線性關(guān)系的范圍。+ (1) 連接好實(shí)驗(yàn)裝置與電源的連線，調(diào)節(jié)霍爾元件在氣隙里的位置、角度，使顯示的數(shù)據(jù)最大。+ (2) 調(diào)節(jié) ICH=10mA，依次改變 ICM 的方向，改變 ICH 的方向。+ (3) 記錄數(shù)據(jù)，繪制 ICM-VH 曲線。+ 4根據(jù)上面的數(shù)據(jù)，利用公式 計(jì)算+ 霍爾元件的霍爾系數(shù)，判定霍爾元件的類型+ 控制電流；N=3000 為勵(lì)磁線圈匝數(shù)； L1 = 0.38cm 為氣隙距離； L2 = 35.22cm 為鐵心磁路+ 平均長(zhǎng)度； m = 1400 為鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率。根據(jù)霍爾系數(shù)的正負(fù)判定霍爾元件的類型。+ 5確

13、定載流子濃度+ 由公式 計(jì)算霍爾元件內(nèi)部載流子濃度+ 其中， p 、 q 為載流子濃度； RH 為元件霍爾系數(shù)； q = 1.6 10 C 為單位電荷 五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄電壓電壓霍爾輸出霍爾輸出不等位電勢(shì)不等位電勢(shì)Ich=10mAICM=400mAIch=1.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00VH=ICH-VH曲線：IICM-VH曲線：實(shí)驗(yàn)三 高頻光電導(dǎo)衰退法測(cè)半導(dǎo)體壽命 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握用光電導(dǎo)衰退法測(cè)量硅單晶樣品中少數(shù)載流子壽命的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法。 2加深對(duì)少數(shù)載流子壽命及其與樣品其它物理參數(shù)關(guān)系的理解。二實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其在本實(shí)驗(yàn)中作用設(shè)備名稱設(shè)

14、備名稱型號(hào)型號(hào)用途用途單晶少子壽命測(cè)試儀DSY II示波器讀取壽命值二、實(shí)驗(yàn)原理以光子能量略大于禁帶寬度的光照射半導(dǎo)體，在其中產(chǎn)生非平衡載流子，如果不存在明 顯的陷阱效應(yīng)，則非平衡多數(shù)載流子和少數(shù)載流子數(shù)量相等，壽命也相等。若光在半導(dǎo)體中 的吸收系數(shù)比較小，表面復(fù)合可以忽略，則光生非平衡載流子在半導(dǎo)體中的分布可視為均勻 的，設(shè) t=0 時(shí)停止光照，非平衡電子與空穴不斷復(fù)合逐漸減少（本實(shí)驗(yàn)以 N 型材料為例）。 體內(nèi)任何一點(diǎn)，少子通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合率為 它與 Dp 成正比，即 當(dāng)非平衡少子濃度 Dp 比平衡多子濃度 n0 少的多時(shí)（小注入）， b 0 是常數(shù)。若 t=0 時(shí)， Dp = Dp(0

15、) 則由上式得到： 非平衡少子壽命可表示為 得出： 直流光電導(dǎo)法所用測(cè)試樣品要求是矩形：尺寸為 2l2w2d。光束沿 x 方向垂直射到表面，在 Z 方向通以恒定電流。當(dāng)有光注入時(shí)，電導(dǎo) G 增加，電導(dǎo)增量 DG 引 起樣品兩端電壓減小 DV ，在小注人條件下： R0 是無(wú)光照時(shí)樣品電阻，由于 V0 = IR0 所以 設(shè) 2lL，L 是少子擴(kuò)散長(zhǎng)度?？梢哉J(rèn)為在 Z 方向上非平衡少子擴(kuò)散到兩端電極上去復(fù)合的可能性極小。同時(shí)設(shè)樣品中場(chǎng)強(qiáng)很小，以致少子不可能漂移到達(dá)兩端電極。如果光穿透深度大于樣品厚度，而且在 x、y 方向上的表面復(fù)合不計(jì)，這時(shí)可把非平衡少子在體內(nèi)的分布看成是均勻分布。光照停止后通過(guò)體

16、內(nèi)復(fù)合而消失，光電導(dǎo)變化量為： 得到： 2高頻光電導(dǎo)衰退法測(cè)試壽命裝置的原理示意圖將被測(cè)半導(dǎo)體樣品放在金屬電極上，樣品無(wú)光照時(shí)，在高頻電磁場(chǎng)作用下，由高頻源經(jīng)過(guò)樣品，取樣器流過(guò)了一個(gè)頻率與高頻源相同的高頻電流，此時(shí)電流 i 為： 當(dāng)樣品上受到穩(wěn)定的光照射時(shí)，樣品中產(chǎn)生非平衡少數(shù)載流子，其電導(dǎo)率增加，因此樣品上流過(guò)的高頻電流的幅值 有增量 可以寫(xiě)為當(dāng)光照停止以后，樣品中的非平衡載流子就按指數(shù)規(guī)律衰減，逐漸復(fù)合而消失。因此高頻電流的幅值也要逐漸減少，最后恢復(fù)到無(wú)光照時(shí)的幅值 因此，在光照停止后樣品的電流應(yīng)是一個(gè)調(diào)幅波如圖a：無(wú)光照 b：穩(wěn)定光照 c：光照停止后三種情況下樣品中高頻電流幅值的變化表示

17、高頻電流幅值按指數(shù)規(guī)律衰減。t 就是非平衡載流子的壽命。同樣，光照停止以后在取樣器兩端可得到一個(gè)高頻調(diào)幅波。它的電壓表示為 式中Vm為無(wú)光照射時(shí)取樣器上的等效高頻電壓的電壓幅值; 為光照后電壓幅值的增量； 項(xiàng)表示高頻電壓的幅值增量按指數(shù)規(guī)律衰減。 在取樣器上的這樣一個(gè)高頻調(diào)幅波經(jīng)過(guò)檢彼器檢波后，把樣品中光電導(dǎo)衰減信號(hào)從 30兆赫的高頻調(diào)幅波解調(diào)下來(lái)。再經(jīng)過(guò)寬帶放大器放大后加到脈沖示波器的垂直偏轉(zhuǎn)上，在熒光屏上顯示出一條按指數(shù)衰減的曲線，衰減時(shí)間常數(shù) 就是欲測(cè)的壽命值。 指數(shù)衰減曲線 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1儀器介紹及使用方法 在本實(shí)驗(yàn)使用廣州半導(dǎo)體材料研究所生產(chǎn)的“DSY II 型單晶少子壽命測(cè)試儀”

18、，其面板如下： KD ：開(kāi)關(guān)及指示燈 K ：制脈沖發(fā)生器電路電源通斷 KW ：外光源主電源的電壓調(diào)整電壓器，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)高。（注意：如在 7V 以上 電壓使用，應(yīng)盡量縮短工作時(shí)間），不連續(xù)工作時(shí)，注意把旋鈕逆時(shí)針旋到底。 CZ ：信號(hào)輸出高頻插座，用高頻電纜將此插座輸出的信號(hào)送至示波器觀察。 Ml ：紅外光源主電源電壓表，指示紅外發(fā)光管工作電壓大小。 M2 ：磁環(huán)取樣檢波電壓表，批示輸出信號(hào)大小。 2實(shí)驗(yàn)步驟 (1) 接上電源線以及用高頻電纜連線將 CZ 與示波器 Y 軸輸入端接通。開(kāi)啟示波器。 (2) 將清潔處理后的樣品置于電極上面，為提高靈敏度，請(qǐng)?jiān)陔姌O上涂抹一點(diǎn)自來(lái)水（注意：涂水不可

19、過(guò)多，只須 1 2 滴，以免水流入光照孔，損壞儀器），如樣品很輕，可在單晶塊上壓上重物，以改善接觸。 (3) 開(kāi)啟總電源 KD ，預(yù)熱 15 分鐘，按下 K ，接通脈沖電路電源，旋轉(zhuǎn) KW ，適當(dāng)調(diào)高電壓。 (4) 調(diào)整示波器電平及釋抑時(shí)間，內(nèi)同步，Y 軸衰減，X 軸掃描時(shí)基及曲線的上、下、左、右位置，使儀器輸出的指數(shù)衰減光電導(dǎo)信號(hào)波形穩(wěn)壓下來(lái)，并與屏幕的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)曲線盡量吻合。 (5) 按小注人條件 從儀器及示波器讀出數(shù)據(jù)， 驗(yàn)證是否符合小注入條件，并寫(xiě)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里。 (6) 按少子壽命的定義，直接在示波器上出壽命值。 3實(shí)驗(yàn)曲線處理 如果光電導(dǎo)信號(hào)衰減波形部分偏離指數(shù)曲線，則應(yīng)作以下處理：

20、(1) 如果波形初始部分衰減較快，則用波形較后部分測(cè)量，即去除表面復(fù)合引 起的高次模部分讀數(shù)，（見(jiàn)下左圖） (2) 如波形頭部出現(xiàn)平頂現(xiàn)象，說(shuō)明信號(hào)太強(qiáng)（見(jiàn)下右圖），應(yīng)減弱光強(qiáng)，在 小信號(hào)下進(jìn)行測(cè)量。 (3) 為保證測(cè)試準(zhǔn)確性，滿足小注入條件，即在可讀數(shù)的前提下，示波器盡量 使用大的倍率，光源電壓盡量調(diào)小。五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄 壽命值壽命值實(shí)驗(yàn)四 測(cè)量二極管I-V特性及理想因子 12023110王寧12023117張祚12023120于娜一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、測(cè)量金屬半導(dǎo)體表面勢(shì)壘二極管的伏安特性 2、用伏安特性法測(cè)量n 因子及金屬半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘高度二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其在本實(shí)驗(yàn)中的用途所用儀器型號(hào)用途通過(guò)

21、半導(dǎo)體特性圖示儀測(cè)量二極管的電流和電壓三、實(shí)驗(yàn)原理如果n 型半導(dǎo)體同一個(gè)功函數(shù)比它大的金屬接觸，由于WBWn（WB是金屬的功函數(shù)，Wn是n型半導(dǎo)體的功函數(shù)），電子在WBn=WB-Wn 的作用下，從半導(dǎo)體內(nèi)跑到金屬中去。達(dá)到平衡時(shí)，金屬的費(fèi)米能級(jí)（EF）B 同半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)(EF)n 相等，半導(dǎo)體表面因缺少了電子而帶正電，金屬表面則因多余電子而帶負(fù)電，在金屬和半導(dǎo)體之間就有接觸電勢(shì)差。當(dāng)金屬同半導(dǎo)體的接觸距離等于零時(shí)，形成的勢(shì)壘主要在半導(dǎo)體中靠近表面的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，因?yàn)殡娮訌陌雽?dǎo)體跑到金屬后，金屬所帶的負(fù)電荷和半導(dǎo)體所帶的正電荷相等，半導(dǎo)體中的正電荷就是電離的施主雜質(zhì)，它的濃度比金屬中載流子的濃

22、度低好幾個(gè)量級(jí)。在金屬中，積累的負(fù)電荷集中在表面很薄的一層（大約幾埃距離），而半導(dǎo)體中這電荷層要擴(kuò)展到幾千埃，這個(gè)區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。金屬同半導(dǎo)體的接觸電勢(shì)差主要降在這個(gè)區(qū)域中。在空間電荷區(qū)中電場(chǎng)的方向是半導(dǎo)體指向金屬表面，它阻擋電子繼續(xù)從半導(dǎo)體跑到金屬中去。從能量來(lái)看，電子在空間電荷取的電勢(shì)能是隨距離變化的，越是接近表面，勢(shì)能越高。如圖9-1 所示。我們定義n 為勢(shì)壘高度，它是決定金屬半導(dǎo)體接觸的一個(gè)重要參量。本實(shí)驗(yàn)就是用伏安特性法來(lái)確定勢(shì)壘高度。圖9.1 金屬半導(dǎo)體接觸能帶圖實(shí)際的金屬-半導(dǎo)體接觸還要考慮表面態(tài)和界面態(tài)的影響，他們的作用可參閱有關(guān)的講義，這里就不再重復(fù)。表面勢(shì)壘二極管的伏安

23、特性公式在外加正向偏壓比較大時(shí)為：這是理想的伏安特性公式，但實(shí)際的伏安特性沒(méi)有如此理想。這主要是由下面三點(diǎn)原因造成的。1、n 因子偏離；2、正向串聯(lián)電阻大；反向漏電流大。實(shí)際測(cè)量得到的關(guān)系是：在指數(shù)項(xiàng)中指數(shù)的分母上多了一個(gè)因子n，n一般比1略大一些，從正向特性實(shí)際表達(dá)式中可以看出，正向電流隨電壓的上升比理想的情況來(lái)的緩慢些，n因子可以由伏安特性的測(cè)量中求得。測(cè)量方法通過(guò)半導(dǎo)體特性圖示儀讀取幾組I和V值，在半對(duì)數(shù)紙上作圖，可得直線。如圖9-3所示。圖9-3取I-V 線上距離比較遠(yuǎn)的任意兩點(diǎn)，設(shè)他們的坐標(biāo)分別是(V1,I1)及(V2,I2)，由于Y 軸（電流軸）是對(duì)數(shù)坐標(biāo)，因此求斜率時(shí)，電流要取對(duì)

24、數(shù)，即斜率m是：(9-2)式兩邊取對(duì)數(shù)：lnI=lnI0+qV/nkT，在lnIV 曲線中直線的斜就是q/nkT，即m=q/nkT.因此，從直線的斜率就可以求得n 因子。 式中A 是理查遜常數(shù)，A=8.7 安/厘米2；S 是勢(shì)壘二極管的結(jié)面積，以厘米2為單位；T是測(cè)試的溫度，用絕對(duì)溫度表示，即攝氏讀數(shù)加上273 度；k 等于8.6310-6 電子伏特/度；Bn 是勢(shì)壘高度。圖上讀得截距是I0。則Bn 可表示成：必須注意（9-4）及（9-6）式取的是自然對(duì)數(shù)，常用對(duì)數(shù)與自然對(duì)數(shù)的關(guān)系是lnA=lgA/lge。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、半導(dǎo)體特性圖示儀接電源，電源開(kāi)關(guān)接通，并校正待用。2、按上圖數(shù)據(jù)調(diào)好圖示

25、儀。3、把表面勢(shì)壘二極管接入電路，二極管正極接C，負(fù)極接E。4、將Y軸集電極電流調(diào)整到0.5mA/度，X軸集電極電壓調(diào)整到0.05V/度，峰值電壓范圍是0-20V，選擇NPN管，選中單管按鈕。慢調(diào)Y軸處的移位按鈕和X軸處的B移位，使光標(biāo)處于屏幕中心。5、在0-4V之間旋轉(zhuǎn)集電極峰值電壓，圖示儀上就會(huì)出現(xiàn)二極管的I-V曲線。（通過(guò)調(diào)節(jié)集電極電壓，調(diào)試出X軸的光標(biāo)線）6、在上述值處，改變X軸和Y軸的分度，調(diào)節(jié)集電極峰值電壓。讀取多組I-V值，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上畫(huà)lnIV 曲線。7、通過(guò)上述曲線的斜率，可以求得理想因子。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄IVlnIInBn 12345實(shí)驗(yàn)五實(shí)驗(yàn)五 利用利用C-V 測(cè)試

26、儀汞探針測(cè)試儀汞探針測(cè)量硅片的摻雜濃度測(cè)量硅片的摻雜濃度 12023110王寧12023117張祚12023120于娜一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1熟悉水銀探針測(cè)量系統(tǒng)和C -V 測(cè)試儀。 2掌握水銀探針測(cè)量半導(dǎo)體樣品摻雜濃度的原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其在本實(shí)驗(yàn)中的作用所用儀器型號(hào)用途C -V 測(cè)試儀器E4980A 測(cè)量半導(dǎo)體樣品參數(shù)三、實(shí)驗(yàn)原理討論晶體管的C -V 特性，主要計(jì)算集電結(jié)的勢(shì)壘電容隨電壓變化的情況、根據(jù)測(cè)量出的數(shù)據(jù)，得到兩個(gè)波形圖，其中一個(gè)是C -V 特性曲線，另外一個(gè)則是1/C2V曲線。由試驗(yàn)作出的此關(guān)系曲線是一直線，根據(jù)公式：可以推出公式：這樣從該直線的斜率可求得摻雜濃度NB，由直線的

27、截距求得接觸電勢(shì)差VD。傳統(tǒng)上在測(cè)量C-V高頻曲線時(shí)是采用正弦信號(hào)測(cè)量電容法，然而，此測(cè)量方法極容易受到硅片背面接觸串聯(lián)電阻及晶片之間電阻的影響，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量上的誤差。由此可以看出，水銀探針仍然采用精確的測(cè)量法來(lái)測(cè)量C -V 特性曲線。如此可以有效地降低旁路電阻所造成的干擾。本課題所使用的水銀探針（LEI 2017B 型水銀探針）是靠真空泵連接水銀探針供應(yīng)水銀的兩個(gè)小瓶子，通過(guò)抽取空氣形成瓶子內(nèi)外的壓力差把水銀頂出，接觸到待測(cè)的半導(dǎo)體樣品，從而形成肖特基接觸。這里需要注意的是，裝有水銀的瓶子有兩個(gè)，他們都需要接觸到樣品才能形成被測(cè)肖特基接觸。兩個(gè)瓶子頂出的水銀柱的面積一大一小，形成“背靠背”的

28、肖特基二極管，可以認(rèn)為是兩個(gè)可變電容的串聯(lián)。主要影響被測(cè)樣品電容的是小水銀柱和被測(cè)樣品形成的肖特基接觸。結(jié)合公式C1表示小水銀柱和被測(cè)樣品形成的肖特基電容值；C2表示大水銀柱和被測(cè)樣品形成的肖特基電容值C1C2所以主要影響C值的是C1.四、實(shí)驗(yàn)步驟1、 MHz測(cè)試信號(hào)電平：1.5V。 測(cè)量流程圖： 具體步驟如下： 步驟1接通E4980A 步驟2通過(guò)向MEAS DISPLAY 頁(yè)面區(qū)域填入字段，設(shè)置 E498OA 的測(cè)量條件。 1 、用光標(biāo)鍵將光標(biāo)移動(dòng)到 FREQ 字段，并輸入1MHz 。 2 、用光標(biāo)鍵將光標(biāo)移動(dòng)到 LEVEL 字段，并輸入 1.5V 。 步驟3將測(cè)試夾具與E4980A 連接（

29、如圖38 ）。測(cè)量使用Agilent 16047E 直接耦合測(cè)試夾具（通用）。 步驟4為了補(bǔ)償Agilent 16047E 的殘余電感和雜散電容，需進(jìn)行開(kāi)路短路修正。 1 、使Agilent 16047E 處在開(kāi)路狀態(tài)，如圖所示。 2 、按 Meas Setup 鍵和CORRECTION 功能鍵。 3 、使用光標(biāo)鍵將光標(biāo)移動(dòng)到OPEN 字段，并按 MEAS OPEN 功能鍵。等待直到消息“OPEN measurement in progress ”( “正在進(jìn)行開(kāi)路測(cè)量”)消失。 4 、按0N 功能鍵，啟動(dòng)開(kāi)路修正。 5 、將短路棒連接到 Agilent 16047E ，設(shè)置短路條件。 6 、

30、使用光標(biāo)鍵將光標(biāo)移動(dòng)到 SHORT 字段，并按MEAS SHORT 功能鍵。等待直到消息“SHORT measurement in progress”( “正在進(jìn)行短路測(cè)量”)消失。7 、按0N 功能鍵，啟動(dòng)短路修正。 步驟5將被測(cè)件連接到測(cè)試夾具。 步驟6按 Meas Setup 鍵。通過(guò)內(nèi)部觸發(fā)器進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，并顯示測(cè)得的電容器p C值和D 值。 此處要說(shuō)明一下，由于儀器沒(méi)有配套出廠的夾具，配套的夾具非常貴，所以此處用同軸線代替。同軸線的使用會(huì)使測(cè)量的數(shù)據(jù)有些偏差。 1、歐姆電極的制備：硅外延片背面可用鎵-銦-錫合金，在大面積圓片時(shí)，可用水使外延片沉底與金屬底托接觸。 2、汞探針壓力選擇：

31、汞探針與硅外延片表面壓力大小的選擇應(yīng)使接觸點(diǎn)的截直徑在0.5-1.0mm之間。 3、打開(kāi)真空泵，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)閥上真空表指針是 10in-hg 時(shí)，按下pc-Bias鍵，將水銀探針測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳到 C-V測(cè)試儀中。 4、按下Meas Setup鍵，將VDC 和IDC 調(diào)成ON，分別取Bias為-10 至0的整數(shù)值，共11個(gè)值，Cp的值隨時(shí)間變化，待 5-10秒后讀取Cp 的值并記錄分析，得出以下結(jié)果。 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄1、太陽(yáng)能電池的工作原理是什么？ 2、為了得到較高的光電轉(zhuǎn)化效率，太陽(yáng)能電池在高溫下工作有利還是低溫下工作有利？3、實(shí)驗(yàn)中太陽(yáng)能電池表面不垂直入射光束，對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生什么影

32、響？ 4、為了盡可能提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，太陽(yáng)能電池表面應(yīng)該怎么處理為好？5、不同單色光下太陽(yáng)能電池的光照特性有什么變化？為什么？ 6、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，日常使用太陽(yáng)能電池應(yīng)該注意哪些問(wèn)題？ 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握并了解MOS結(jié)構(gòu)及C-V 方法測(cè)量原理。 2.學(xué)會(huì)X-Y記錄儀的使用方法，并測(cè)出高頻下的C-V 特性曲線。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其在本實(shí)驗(yàn)中的作用E4980A c-v測(cè)試儀測(cè)量C、V的值三、實(shí)驗(yàn)原理1.MOS 結(jié)構(gòu)及其C-V 特性 MOS結(jié)構(gòu)是指金屬（M），氧化物（O），半導(dǎo)體（S）組成的一種基本結(jié)構(gòu)或叫 MIS 結(jié)構(gòu)。它是由硅襯底上生長(zhǎng)一層 SiO2層，再在SiO2層上蒸發(fā)一層金屬 A

33、L電極而成。磚片襯底做成歐姆接觸。在鋁層上通過(guò)一根引線接到電源上，用以改變它對(duì)半導(dǎo)體的偏壓，該電壓一般用VG表示。常叫做柵壓。這樣鋁，二氧化硅和硅之間就組成一個(gè)MOS電容。所謂 MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性指的是這個(gè)電容隨外加偏壓的變化。但是它和平常的平行板電容器是有區(qū)別的。因?yàn)樗膬蓚€(gè)極板中有一個(gè)是金屬，而另一個(gè)是半導(dǎo)體。眾所周知，半導(dǎo)體中的電荷密度比金屬小得多，所以充電電荷在半導(dǎo)體表面形成的空間電荷區(qū)有一定的厚度（微米量級(jí)）而不像金屬中那樣，只集中在一薄層（0.1nm）內(nèi)。這樣就使得這個(gè)電容和一般電容的性能大不一樣，它的電容量不是常數(shù)，而是隨外加偏壓的大小和極性的變化而變化。在對(duì) MOS電容進(jìn)行

34、測(cè)量時(shí)，是在一定的直流偏壓下再疊加一個(gè)小的交流電壓信號(hào)，使得充放電電荷在半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)的厚度隨外加偏壓而改變，所以 MOS電容是微分電容 2.理想MOS的 C-V 特性 所謂理想情形，是假設(shè) MOS結(jié)構(gòu)滿足以下條件：（1）金屬與半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零；（2）SiO2絕緣層內(nèi)沒(méi)有電荷；（3）SiO2與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)。偏壓VG一部分在降在SiO2上，記作Vox ；一部分降在半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)，記作 Vs,即 Vs又叫表面勢(shì)。考慮到半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電荷和金屬電極上的電荷數(shù)量相等、符號(hào)相反，有 式中Qsc是半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電荷面密度。式（4）表明MOS電容由Cox和CS串聯(lián)構(gòu)

35、成，其中Cox是以 SiO2為質(zhì)的氧化層電容，它的數(shù)值不隨改變VG,CS是半導(dǎo)體表面空間區(qū)電容，其數(shù)值隨VG改變，因此 式中ro 是SiO2相對(duì)介電常數(shù)。p 型襯底理想MOS 結(jié)構(gòu)高頻C-V 特性曲如右上圖所示。圖中V代表偏壓G V。最大電容ox C C max,最小電容min C和最大電容max C之間有如下關(guān)系： 式中rs是半導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)。 Vs=0時(shí)，半導(dǎo)體表面能帶平直，稱為平帶。平帶時(shí)的 MOS 電容稱為平電容，記作CFB。對(duì)于給定的MOS 結(jié)構(gòu)，歸一化平帶電容由下式給出1： 平帶時(shí)所對(duì)應(yīng)的偏壓稱為平帶電壓，記作VFB。顯然，對(duì)于理想 MOS 結(jié)構(gòu)， VFB=0。3.實(shí)際的MOS

36、的C-V 特性 由于SiO2中總是存在電荷（通常是正電荷），且金屬的功函數(shù)Wm和半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws通常并不相等，所以VFB一般不為零。若不考慮界面態(tài)的影響，有 式中Qox是SiO2中電荷的等效面密度，它包括可動(dòng)電荷QI和固定電荷Qfc兩部分?！暗刃А笔侵赴裇iO2中隨機(jī)分布的電荷對(duì)VFB的影響看成是集中在 Si-SiO2界面處的電荷對(duì)VFB的影響。VmS 是金屬-半導(dǎo)體接觸電勢(shì)差，4.氧化層中正電荷的計(jì)算 通過(guò)以上分析，我們看到氧化層中正電荷的影響（在這里我們只籠統(tǒng)的講是正電荷）。實(shí)際上它包括氧化層中固定電荷，Si-SiO2界面的界面態(tài)以及靠近 Si-SiO2界面的可動(dòng)離子正電荷，后者的密度可

37、通過(guò)BT實(shí)驗(yàn)-正、負(fù)偏壓溫度處理方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量，這不在本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。 關(guān)于計(jì)算氧化層中正電荷密度的方法，在這里我們介紹二種。第一種方法是根據(jù)高頻CTG-1型高頻測(cè)試儀測(cè)出的 C-V特性曲線。然后查表得出平帶電容，這樣在C-V 曲線上就能找出平帶電壓VFB，再代入（9）式，就可以計(jì)算出Qfc來(lái)了。具體方法如下： 四、實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)采用E4980A c-v測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。安裝NetFx_IOLibSuite_16_1_14931.exe，安裝driver_ivicom_e4980a_1_0_11_0_7_3_07.msi，用USB線將電腦與E4980A連接，打開(kāi)E4980A，圖1將1處改為USB，

38、在2處輸入圖1中4處的那串字母與數(shù)字。點(diǎn)擊Handshake，在3處應(yīng)該是出現(xiàn)OK。 3. 設(shè)置E4980A，按Meas Setup鍵出現(xiàn)如圖2的設(shè)置界面（在數(shù)字鍵的左下，方向鍵的正下，如果操作無(wú)反應(yīng)，觀察圖2右下是否出現(xiàn)RXX的3個(gè)英文，試著按屏幕下方最右邊的Local/lock鍵，如果不行就重啟E4980A）。圖3 將FUNC改為Cp-D，將FREQ改為1MHz，將LEVEL改為100mV，TRIG改為MAN，按屏幕左邊的DC Bias，確認(rèn)儀器右邊DC Bias下的燈是亮的。 4. 按Display Format（在Meas Setup左邊），再按Meas Setup，按屏幕中右邊顯示L

39、IST SETUP對(duì)應(yīng)的按鈕，出現(xiàn)如圖3的設(shè)置界面。 圖4 將FREQHz改為BIASV（右邊一排沒(méi)有，按下MORE對(duì)應(yīng)的鍵）在1后面，BIASV 下面輸入-5，然后按10下NEXT PAGE對(duì)應(yīng)按鈕，在101后面，BIASV下面輸入5，按一下PREV PAGE的對(duì)應(yīng)按鈕，再按下FILL LINEAR對(duì)應(yīng)的按鈕。 5. 按Display Format按鈕，按右邊LIST SWEEP對(duì)應(yīng)的按鈕，按下屏幕左邊的Trigger 鍵，E4980A就開(kāi)始自動(dòng)測(cè)量，從-5V測(cè)到5V。 測(cè)量結(jié)束后圖5 回到電腦上的E4980_DataTransfer_0100.xls，在圖5中的1處設(shè)置測(cè)試數(shù)據(jù)表名（注意不

40、能重復(fù)命名），點(diǎn)Load Data，會(huì)多出一個(gè)選項(xiàng)卡，測(cè)試數(shù)據(jù)就存在里面。 變成五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理； 2、掌握太陽(yáng)能電池基本特性參數(shù)測(cè)試原理與方法； 3、通過(guò)分析太陽(yáng)能電池基本特性參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步熟悉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理的方法，理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論結(jié)果間不完全一致的原因； 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其在本實(shí)驗(yàn)中的作用設(shè)備包括光源與太陽(yáng)能電池、光路和溫度控制裝置外電路三個(gè)部分。 1、光源與太陽(yáng)能電池部分 采用高壓氙燈光源，高壓氙燈具有與太陽(yáng)光相近的光譜分布特征。光源標(biāo)稱功率 150W出射光孔徑為50mm，圖8為氙燈電源，氙氣燈作為光源也可以

41、用作其它實(shí)驗(yàn)的研究；太陽(yáng)能電池采用普通商用單晶Si太陽(yáng)能電池，實(shí)物如圖9 所示，標(biāo)稱開(kāi)路電壓4.5V，受光面積43mm43mm。老師也可以研究多晶、非晶、納米等太陽(yáng)能電池的基本特性。實(shí)驗(yàn)七、太陽(yáng)能電池測(cè)量2、光路部分 本設(shè)備光路由有效通光孔56mm的準(zhǔn)直透鏡、組合式濾色片組成。準(zhǔn)直透鏡用于產(chǎn)生平行入射光束，光強(qiáng)度部分通過(guò)調(diào)節(jié)氙燈電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)波長(zhǎng)分別為365nm、405nm、436nm、 546nm、 577nm的濾色片用于產(chǎn)生近似的單色光來(lái)研究太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)特性。各部分均可以調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)所需要的最佳位置，調(diào)節(jié)凸透鏡時(shí)，須先將氙燈應(yīng)與光路部分對(duì)接，再將氙燈點(diǎn)亮，用萬(wàn)用表監(jiān)視信號(hào)輸入/輸出

42、口（為太陽(yáng)能電池的輸出口）的電源輸出值，凸透鏡起始位置在靠近光源處（入光口），當(dāng)凸透鏡調(diào)至某一合適位置，其輸出電壓值為最大，此時(shí)，該位置便為最佳位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，便不要再去移動(dòng)凸透鏡。濾色片的位置靠近太陽(yáng)能電池處（出光口）。 3、溫度控制及外電路電源 本設(shè)備包括溫度控制裝置和直流電源， 溫度控制裝置圖 10，溫度控制箱面板圖 11， Pt100溫度變換器圖12，直流電源面板圖13。 溫控部分的加入主要是用來(lái)研究溫度對(duì)太陽(yáng)能電池特性的影響。溫度可在室溫80間選擇，加熱電流可調(diào)。 太陽(yáng)能電池特性測(cè)試部分包括太陽(yáng)能電池暗特性、光特性的測(cè)試。暗特性測(cè)試電壓范圍030V用于暗特性的正偏、反偏測(cè)試。光特性測(cè)試

43、中電流表量程 2A，最小電流分辨率1A，電壓量程30V，最小電壓分辨率 0.01V。負(fù)載電阻變化范圍 99999.9。 三、實(shí)驗(yàn)原理1、光生伏特效應(yīng) 常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池從結(jié)構(gòu)上說(shuō)是一種淺結(jié)深、大面積的 pn結(jié)，如圖1 所示，它的工作原理的核心是光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種通性。當(dāng)光照射到一塊非均勻半導(dǎo)體上時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在半導(dǎo)體材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。如果構(gòu)成適當(dāng)?shù)幕芈肪蜁?huì)產(chǎn)生電流。這種電流叫做光生電流，這種內(nèi)建電場(chǎng)引起的光電效應(yīng)就是光生伏特效應(yīng)。 非均勻半導(dǎo)體就是指材料內(nèi)部雜質(zhì)分布不均勻的半導(dǎo)體。pn結(jié)是典型的一個(gè)例子。N型半導(dǎo)體材料和p型半導(dǎo)體材料接觸形成 pn結(jié)。pn

44、結(jié)根據(jù)制備方法、雜質(zhì)在體內(nèi)分布特征等有不同的分類。制備方法有合金法、擴(kuò)散法、生長(zhǎng)法、離子注入法等等。雜質(zhì)分布可能是線性分布的，也可能是存在突變的，pn結(jié)的雜質(zhì)分布特征通常是與制備方法相聯(lián)系的。不同的制備方法導(dǎo)致不同的雜質(zhì)分布特征。 根據(jù)半導(dǎo)體物理學(xué)的基本原理我們知道，處于熱平衡態(tài)的一個(gè) pn結(jié)結(jié)構(gòu)由p區(qū)、n區(qū)和兩者交界區(qū)域構(gòu)成。為了維持統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，p 區(qū)內(nèi)空穴向n區(qū)擴(kuò)散，n區(qū)內(nèi)空穴向 p區(qū)擴(kuò)散。這種載流子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致原來(lái)的電中性條件被破壞，p 區(qū)積累了帶有負(fù)電的不可動(dòng)電離受主，n區(qū)積累了不可能電離施主。載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果導(dǎo)致 p 區(qū)負(fù)電，n區(qū)帶正電，在界面附近區(qū)域形成由 n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建

45、電場(chǎng)和相應(yīng)的空間電荷區(qū)。顯然，兩者費(fèi)米能級(jí)的不統(tǒng)一是導(dǎo)致電子空穴擴(kuò)散的原因，電子空穴擴(kuò)散又導(dǎo)致出現(xiàn)空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場(chǎng)。而內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度取決于空間電荷區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度，內(nèi)建電場(chǎng)具有阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步發(fā)生的作用。當(dāng)兩者具有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和內(nèi)建電場(chǎng)的作用相等，p區(qū)和n 區(qū)兩端產(chǎn)生一個(gè)高度為qVD的勢(shì)壘。理想pn結(jié)模型下，處于熱平衡的pn結(jié)空間電荷區(qū)沒(méi)有載流子，也沒(méi)有載流子的產(chǎn)生與復(fù)合作用。3、太陽(yáng)能電池光照情況下的電流電壓關(guān)系（光特性） 光生少子在內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下定向的運(yùn)動(dòng)在PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生了n區(qū)指向p區(qū)的光生電流IL，光生電動(dòng)勢(shì)等價(jià)于加載在pn結(jié)上的正向電壓V，它使得PN結(jié)勢(shì)壘高度降低qVDqV

46、。開(kāi)路情況下光生電流與正向電流相等時(shí)，pn結(jié)處于穩(wěn)態(tài)，兩端具有穩(wěn)定的電勢(shì)差VOC，這就是太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓Voc。如圖3 所示，在閉路情況下，光照作用下會(huì)有電流流過(guò) pn結(jié)，顯然pn結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電源。 光電流IL在負(fù)載上產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓降可以使 pn 結(jié)正偏。如圖3所示，正偏電壓產(chǎn)生正偏電流IF。在反偏情況下，pn結(jié)電流為 隨著二極管正偏，空間電荷區(qū)的電場(chǎng)變?nèi)?，但是不可能變?yōu)榱慊蛘叻雌?。光電流總是反向電流，因此太?yáng)能電池的電流總是反向的。 根據(jù)圖3的等效電路圖。有兩種極端情況是在太陽(yáng)能電池光特性分析中必須考慮的。其一是負(fù)載電阻RL0，這種情況下加載在負(fù)載電阻上的電壓也為零，pn結(jié)處于短路

47、狀態(tài)，此時(shí)光電池輸出電流我們稱為短路電流或者閉路電流 Isc。 I=ISC=IL 其二是負(fù)載電阻L R，外電路處于開(kāi)路狀態(tài)。流過(guò)負(fù)載電阻電流為零，根據(jù)等效開(kāi)路電壓Voc和閉路電路 Isc是光電池的兩個(gè)重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)上這兩個(gè)參數(shù)通過(guò)確定穩(wěn)定光照下太陽(yáng)能電池IV 特性曲線與電流、電壓軸的截距得到。不難理解，隨著光照強(qiáng)度增大，確定太陽(yáng)能電池的閉路電流和開(kāi)路電壓都會(huì)增大。但是隨光強(qiáng)變化的規(guī)律不同，閉路電路Isc正比于入射光強(qiáng)度，開(kāi)路電壓Voc隨著入射光強(qiáng)度對(duì)數(shù)式增大。從半導(dǎo)體物理基本理論不難得到這個(gè)結(jié)論。此外，從太陽(yáng)能電池的工作原理考慮，開(kāi)路電壓Voc不會(huì)隨著入射光強(qiáng)度增大而無(wú)限增大的，它的最大值是使

48、得pn 結(jié)勢(shì)壘為零時(shí)的電壓值。換句話說(shuō)太陽(yáng)能電池的最大光生電壓為pn結(jié)的勢(shì)壘高度VD，是一個(gè)與材料帶隙、摻雜水平等有關(guān)的值。實(shí)際情況下最大開(kāi)路電壓值與材料的帶隙寬度相當(dāng)。4、太陽(yáng)能電池的效率 太陽(yáng)能電池從本質(zhì)上說(shuō)一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器件，它把光能轉(zhuǎn)化為電能。因此討論太陽(yáng)能電池的效率是必要和重要的。根據(jù)熱力學(xué)原理，我們知道任何的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程都存在效率問(wèn)題，實(shí)際發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程效率不可能是100。就太陽(yáng)能電池而言，我們需要知道轉(zhuǎn)化效率和哪些因素有關(guān)，如何提高太陽(yáng)能電池的效率，最終我們期望太陽(yáng)光電池具有足夠高的效率。太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為輸出電能Pm和入射光能Pin的比值： 四、實(shí)驗(yàn)步驟輸出與氙燈箱上