维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年８月 宇航计测技术 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａｕｇ．，２００７ Ｖ０Ｊ．２７．Ｎｏ．４ 第２７卷第４期 文章编号：１０００—７２０２（２００７）０４—００５０—０４ 中图分类号：ＴＮ３８５ 文献标识码：Ａ 新型半导体导电类型判别仪设计与研制 晏 敏 侯志春 曾健平 龙小奇 （湖南大学物理与微电子科学学院；长沙４１００８２） 摘 要 在详细分析金属和半导体接触的整流理论基础上，通过增加补偿二极管、保护电路和数码显示电 路改进了传统的三探针整流法，设计了一款用于对半导体材料导电类型判别的测试仪，实际运行结果表明：该测试 仪具有准确度高、电路结构简单、操作简便、成本低等特点，可满足实际＿牛产和教学的需要。 关键词 整流电路半导体材料 ｊ探针法 导电类型 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｎｅｗ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｙｐｅ ＹＡＮ Ｍｉｎ Ｈ０Ｕ Ｚｈｉ－－ｃｈｕｎ ＺＥＮＧ Ｊｉａｎ－－ｐｉｎｇ ＬＯＮＧ Ｘｉａｏ－－ｑｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖ；Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｒｅｃｔｉｉｃａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｔｈａｔ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔｓ ｏｆ ｍｅｔａｌｆ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎ－ ｄｕｃｔｏｒ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｔｈｅ ｄｉｏｄｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｄｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｐｒｏｂｅｓ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔｅｒ ｔｏ ｕｓｅ ｉｎ ｅｌｅｃｔｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｒｏｎ ｔｙｐｅ ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗ，ｔｈｉｓ ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎ ｍｅｔｅｒ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｈｉｇｈ，ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｉｓ ｌｏｗ，ｍａｙ ｓａｔｉｓｆｙ ｎｅｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ Ｔｈｒｅｅ ｐｒｏｂｅ ｍｅｔｈｏｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｄｕｃ— ｔｉｏｎ ｔｙｐｅ １ 引 言 随着新的半导体材料工艺技术的不断发展，高质 量大直径硅单晶制造技术相继问世，它们为电子器件 和集成电路的制造提供了高质量的基础材料。但无 论是分立器件还是集成电路，在制造前必须选定各种 参数合适的单晶材料…。它的导电类型就是其中一 个重要的基本参数。根据单晶制备时所掺杂的元素 是受主还是施主元素，可以将单晶划分为Ｐ型和ｎ型 两大类。Ｐ型单晶中多数载流子是空穴，它主要依靠 空穴来导电；ｎ型单晶中多数载流子是电子，它主要 依靠电子来导电。因此，Ｐ型半导体又可称为空穴半 导体，ｎ型半导体又可称为电子半导体。 收稿日期：２００６—１０—１６ 基金项目：湖南省重点科技攻关项目“２００２０５２３”和湖南大学“ＳＩＴ计划１１—１２”资助项目。 作者简介：晏敏（１９６３一），男，副教授，博士研究生，研究方向：半导体测试技术。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 新型半导体导电类型判别仪设计与研制 ・５１・ ２金属与半导体接触理论 金属与半导体接触和ＰＮ结类似，在接触处的 半导体表面层内自然形成了由半导体中的杂质离子 组成的空问电荷层或耗尽，其中存在原电子或空穴 的电势称为肖特基势垒，这和ＰＮ结一样具有随外 电压改变的势垒电容及整流作用。 ２．１整流接触 电子流和从金属进入半导体的电子流大小相等，方 向相反 Ｊ。但如果在紧密接触的金属和半导体之间 加上电压 时，由于阻挡层是一个高阻区域，电压主 要降落在阻挡层上。原来半导体表面和内部之问的 电势差，即表面势是（ ）。，现变为（ ）。＋ ，因而电 子势垒高度是一ｑ［（ ）。＋ ］，如果 与原来表面势 方向相同时，阻挡层势垒将提高，否则势垒将下降。 图１表示外加电压对Ｎ型阻挡层的影响，这时（Ｕｓ）。 ＜０ｏ为了比较图１（ａ）还画出了平衡状态时的阻挡 层情形。 根据整流理论半导体材料在平衡状态的阻挡层 中是没有净电流流过的，因为从半导体进入金属的 Ｊ ＼＼、 ！ ｃ ＇ ｌ ％ —ｑ【（１ Ｊ ７Ｖ １ ｒ 一 （ｂ） 图１ 外加电压对ｎ型阻挡层的影响 加外加电压后，半导体和金属不再处于平衡状 态，两者没有统一的费米能级，半导体内部费米能级 和金属费米能级之差等于由外加电压所引起的静电 势能差。图１（ｂ）表示外加正向电压（Ｖ＞０）时的情 载流子由半导体到金属所形成的电流。 ２．２ 欧姆接触 另一类重要的金属一半导体接触是非整流接 触，即欧姆接触。它不会产生明显的附加阻抗，而且 不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改 变。理想的欧姆接触电阻与半导体样品或器件相比 很小。当有电流流过时，欧姆接触上的电压降应当远 小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件 的伏安特性，即它的电流一电压特性由样品的电阻 形。半导体一边的势垒由ｑＶｏ＝一ｑ（ ）。降低为 一ｑ［（ ）。＋ ］。此时，从半导体到金属的电子数目 增加，超过从金属到半导体的电子数，形成一股从金 属到半导体的正向电流，它是由ｎ型半导体中多数 载流子构成的。外加电压越高，势垒下降越多，正向 电流越大。图１（Ｃ）表示外加反向电压（Ｖ＞０）时的 或器件的特性决定的。 情形。势垒增高为一ｑ［（ ）。＋ ］。从半导体流到金 属的电子数目减少，金属到半导体的电子流占优势， 形成一股由半导体到金属的反向电流。由于金属中 的电子要越过相当高的势垒 才能到达半导体 中，因此反向电流很小。从图中看出，金属一边的势 垒不随外加电压变化，所以从金属到半导体的电子 金属与半导体欧姆接触的基本方法有三种：半 导体高掺杂接触；低势垒高度接触；高复合中心接 触 。 ２．２．１ 半导体高浓度掺杂欧姆接触 在Ｎｓ＞１０ ｃｍ 时，半导体表面势垒高度很 小，载流子可以以隧道方式穿过势垒，从而形成欧姆 接触。由于隧道穿通几率与势垒宽度密切相关，而势 流是恒定的。当反向电压提高，使半导体到金属的电 子流可以忽略不计，反向电流将趋于饱和值。这说明 这样的阻挡层具有类似Ｐ—Ｎ结的伏安特性，即具 垒宽度又取决与半导体表面层的掺杂浓度，因此该 方式的接触电阻是随掺杂浓度的变化而变化的，在 器件制造中常采用这种方法。 ２．２．２低势垒高度欧姆接触 有整流作用 。 Ｐ型阻挡层的情况完全类似，不同的是此时 （ ）。＞０，因此，正向电压和反向电压的极性正好 当金属功函数大于Ｐ型硅或小于ｎ型硅的功函 数时，金属一半导体接触可形成理想的欧姆接触。但 是由于金属一半导体的表面态的影响。会使半导体 表面产生感应空问电荷层，形成接触势垒。因此，在 与Ｎ型阻挡层相反。当Ｖ＜０时，形成从半导体流向 金属的正向电流；当Ｖ＞０，即金属加正电压时，形成 反向电流。无论哪种阻挡层，正向电流都相应于多数 维普资讯 http://www.cqvip.com 宇航计测技术 ２００７正 半导体表面掺杂浓度低的情况下，很难形成理想的 欧姆接触。在接触电势差较小的情况下，可把这种 接触近似为欧姆接触，实际上它是一种低势垒高度 肖特基接触。 ２．２．３ 高复合中心欧姆接触 当半导体表面具有较高的复合中心密度时，金 属一半导体间的电流传输将主要受复合中心的产生一 复合机构控制。高复合中心密度会使接触电阻明显 减小，伏安特性近似对称，在此情况下，半导体也可 与金属形成欧姆接触。 ３ 系统组成及分析 三探针整流法是基于金属与半导体接触理论和 半导体材料本身的导电原理 ，其系统的结构如图 ２所示，它能用简单的电路来实现所要求的功能。 一 圈 图２系统结构 在样品上压上三个探针，针距约为１．５ ｍｍ～ ５ ｍｍ，在１，２探针之间加上１２ Ｖ的交流电源（如图 ３所示）。根据流过的尺 上电压的不同就可以判断 样品是Ｐ型还是ｎ型。因为探针与半导体可以构成 整流接触，故可用图３（ｂ）来等效探针与Ｐ型半导体 接触，接触电阻中包括势垒电阻和扩展电阻，图中用 ｒ ，ｒ ，ｒ３代表了探针与单晶接触时的扩展电阻，Ｄ ， Ｄ ，Ｄ 分别为探针１，２，３与Ｐ型单晶接触时的等效 二极管。Ｄ 为补偿二极管。其作用是：对Ｐ型来 说，由于压阻效应，Ｐ型半导体的整流特性已被破 坏，使探针与金属接触的地方电阻率迅速增加，导致 通过电路中的电流很小，采集的信号很微弱，尺 两 端的电压只有１０ Ｖ数量级，对后面的电路设计带 来不便。但如果加了二极管Ｄ ，使被破坏的整流特 性得到恢复和补偿，尺 两端的电压不会太小，便于 后面电路的设计。对Ｎ型来说压阻效应对整流特 性的影响不大，故不需补偿。二极管Ｄ 只对Ｐ型补 偿。 在探针与半导体之间点接触的情况下，由于电 流截面在接触处附近最窄，所以体内电压降主要集 中在接触点附近的区域，它的大小由接触的几何特 性所决定。假定在欧姆定律成立的情况下，半导体体 内的电压降 与探针流入半导体的电流，之间满足 Ｖ１～ ｙ （ａ）ｐ／ｎ型半导体材料 （ｂ）ｐ型半导体材料 图３三探针法测定导电类型（ａ）及其等效电路（ｂ） 如下关系 Ｖ＝，・尺 式中的尺通常称为扩展电阻，由已知理论可得。当接 触面是半径为ｒｎ的球面时，则扩展电阻 Ｒ Ｐ０／２￣ｒｒ０ 式中：ｐ。——半导体的电阻率 ］。 首先分析１，２探针的整流电流和电压的情况， 把１，２探针单独拿出来分析（如图４所示）。设外加 电压“ 波形如图６（ａ）所示，因为电路属于纯电阻 电路，所以电流 波形与电压“ 波形同位相。当“ 为正半周时，Ｄ 中的电流方向为２２ ；当“ 为负半周 时，Ｄ 中的电流方向为２ ２。 图４ １。２探针等效电路分析 当电流方向为２２ 时，在Ｄ：，Ｄ 上所产生的电压 为 式中：ｒ。 止棚——二极管Ｄ 正相偏置时的电阻； ｒＤｄ止相——二极管Ｄ 正向偏置时的电阻。当电流方 向为２ ２时，在Ｄ ，Ｄ 上所产生的电压为 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 新型半导体导电类型判别仪设计与研制 ・５３・ 同理，对Ｎ型材料，当“ 为正半周时，“ ，的直 式中：ｒ。，反相——二极管Ｄ 反向偏置时的电阻 ｒ。 反相——二极管Ｄ 反向偏置时的电阻。 由于ｒＤ２正相＜ｒＤ２反相，ｒＤ４正相＜ｒＤ４反棚，Ｊ 以 ２２， 流分量大于零；当“ 为负半周时，“ ， 的直流分量小 于零。从而可以根据 上电压的不同以及示波器的 图形来确定所测样品的导电类型。 ＜＜“ 相叠加的结果如图６（ｂ）所示。如果在电阻 上取出电压信号，那么就可在示波器上观察波形 图。由上分析可知，当“ 为正半周时，“ ，的直流分 量几乎等于零，“ 为负半周时，“ ， 具有负的直流 分量，与３ ３支路合并在一起，其等效电路如图５所 示 。 ４实际应用电路的设计与实现 图７为该测试仪的实际电路图，其工作原理是： 从电阻 上取出电压信号 ＋，作为电压比较器 Ａ正端的输入信号， Ａ的负端通过Ｒ 从电位计 中取出电压作为基准电压。当输出是高电平，则 通过Ｄ 对ｃ 充电，由于 很大， 上电压基本保 持高电平不变。在通过 Ｂ放大两倍作为电压比 较器 ｃ的负端输入；当输出是低电平，则通过Ｄ 对 充电。由于尺，也很大， 上电压基本保持低 电平不变，将作为反相器 Ｂ负极的输入信号，在 输出端输出高电平，作为 ｃ的正端输入。当为Ｎ 图５ ２，３探针等效电路分析（负半周） ｌ 型时， ＋＞０或 ＋＜０，Ｕ Ａ输出端输出高电平或 低电平，在比较器 ｃ输出端输出低电平经过驱动 电路驱动米字管发光，显示为Ｎ字；当为Ｐ型时， ＋＜０，Ｕ Ａ输出端输出低电平，在 ｃ输出端输出 Ｖ’ 图６ 电压与电流的波形 Ｖ Ｉ高电平经过驱动电路驱动米字管发光，显示为Ｐ 字。电压比较器 ４的负端从探针２上取出电压信 号，正端从 上取出电压基准信号。 图７测试仪原理电路 （下转第６４页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
・６４・ 宇航计测技术 ２００７在 （上接第５７页） ４结束语 通过利用图形电磁计算方法计算涂覆介质的目 标雷达散射截面可以充分利用计算机硬件的诸多优 ［２］ 严靖峰，徐鹏根．ＲＣＳ预估中图形电磁学方法的改进． 电波科学学报，１９９８，１３（３）：３１３～３１７． ［３］ Ｊｉｎ Ｊ Ｍ．Ｎｉ Ｓ Ｓ，Ｌｅｅ Ｓ Ｗ．Ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＢＲ ａｎｄ ＦＥＭ ｆｏｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ Ｌａｒｇｅ Ｂｏｄｉｅｓ ｗｉｔｈ Ｃｒａｃｋｓ ａｎｄ Ｃａｖｉ— 点，明显地提高计算速度，并且计算结果与文献结果 相吻合，也与实际问题相吻合，从而可以说明图形电 磁计算方法在计算涂覆介质的目标雷达散射截面方 面的优势 参考文献 ｔｉｅｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ ＡＰ，１９９５，４３（１０）：１１３０～１１３９． ［４］ 阮颖铮等编著．雷达截面与隐身技术．国防工业出版 社，１９９８． ｃｈａｒｄ Ｓ Ｗｒｉ ｇｈｔ，Ｊｒ Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ｌｉｐｃｈａｋ著．Ｏｐｅｎ— ［５］ 美］ＲｉＧＩ 超宝典（第三版）．人民邮电出版社，徐波译．２００５． ［６］ 匡磊．高频区涂覆雷达吸波材料的复杂目标的实时 ＲＣＳ预估．安徽大学硕士学位论文，２００４． ［７］ Ｋｌｅｍｅｎｔ Ｄ．Ｐｒｅｉｓｓｎｅｒ Ｊ ｅｔ ａ１．Ｓｐｅｃｉａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ａｐｐｌｙ— ｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ［１］ Ｊｕａｎ Ｍ Ｒｉｕｓ，Ｍｉｇｕｅｌ Ｆｅｒｒａｎｄｏ ｅｔ ａ１．Ｈｉｇｈ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＲＣＳ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｒａｄａｒ Ｔａｒｇｅｔｓ ｉｎ Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇａｔ．，１９９３，Ａｐ一４１（９）：１ ３０８ ～ｏｆ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｏｂｊｅｃｔｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ．Ｏｎ Ａｐ，１９８８，３６ （２）：２２８～２３７． ｌ ３１９．
