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        【4200 SMU應用文章】之實例篇:測量范德堡法電阻率和霍爾電壓

        2020年01月15日 11:18 次閱讀

        作者:泰克科技

        半導體材料研究和器件測試通常要測量樣本的電阻率和霍爾電壓。半導體材料的電阻率主要取決於體摻雜,在器件中,電阻率會影響電容、串聯電阻和閾值電壓。霍爾電壓測量用來推導半導體類型(n還是p)、自由載流子密度和遷移率。

        為確定半導體範德堡法電阻率和霍爾電壓,進行電氣測量時需要一個電流源和一個電壓表。為自動進行測量,一般會使用一個可編程開關,把電流源和電壓表切換到樣本的所有側。4200A-SCS參數分析儀擁有4個源測量單元(SMUs)和4個前置放大器(用於高電阻測量),可以自動進行這些測量,而不需可編程開關。用戶可以使用4個中等功率SMU (4200-SMU, 4201-SMU)或高功率SMU (4210-SMU, 4211-SMU),對高電阻材料,要求使用4200-PA前置放大器。4200A-SCS包括多項內置測試,在需要時把SMU的功能自動切換到電壓表或電流源,霍爾電壓測量要求對樣本應用磁場。

        4200A-SCS包括交互軟體,在半導體材料上進行范德堡法和霍爾電壓測量。4200A-SCS Clarius+軟體提供了全面的程序庫,除電阻率和霍爾電壓測試外,還包括許多其他測試和項目。范德堡法和霍爾電壓測試是在Clarius V1.5和V1.6中新增的,包括計算確定表面或體積電阻率、霍爾遷移率和霍爾係數。

        范德堡法電阻率測量

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

        【4200 SMU應用文章】之實例篇:測量范德堡法電阻率和霍爾電壓

        圖1. 范德堡法配置

        使用圖2所示的SMU儀器配置,圍著樣本的邊緣重複測量8次。

        【4200 SMU應用文章】之實例篇:測量范德堡法電阻率和霍爾電壓

        圖2. 范德堡法電阻率測量慣例。

        然後使用這一串8項電壓測量(V1-V8)和測試電流(I)來計算電阻率(ρ),ρA和ρB是體積電阻率,fA和fB是樣本對稱度的幾何因數,與兩個電阻比率QA和QB相關。公式如下:

        【4200 SMU應用文章】之實例篇:測量范德堡法電阻率和霍爾電壓

        圖3. 電阻率計算公式

        霍爾電壓測量

        霍爾電壓測量對半導體材料表徵具有重要意義,因為從霍爾電壓和電阻率可以導出傳導率類型、載流子密度和遷移率。在應用磁場后,可以使用下面的I-V測量配置測量霍爾電壓:

        【4200 SMU應用文章】之實例篇:測量范德堡法電阻率和霍爾電壓

        圖4. 霍爾電壓測量配置。

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

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

        【4200 SMU應用文章】之實例篇:測量范德堡法電阻率和霍爾電壓

        使用4200A測量范德堡法電阻率和霍爾電壓

        4200A-SCS配有四個SMU和前置放大器,簡化了范德堡法和霍爾電壓測量,因為它包含多項內置測試,可以自動完成這些測量。在使用這些內置測試時,四個SMUs連接到樣本的四個端子上,如圖5所示。對每項測量,每個SMU的功能會在電流源、電壓表或公共之間變化。先測量八項測試中每項測試的電壓下跌和測試電流,然後導出電阻率或霍爾係數。霍爾電壓測量要求對樣本應用一個磁場。

        圖5. 四個SMUs連接到被測樣本的四個端子上。

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

        圖6. 選擇范德堡法電阻率和霍爾係數測試。

        可以使用范德堡法表面和體積電阻率測試。測試庫有兩項電阻率測試:vdp-surface-resisTIvity和vdp-volume-resisTIvity。vdp-surface-resisTIvity測試測量和計算電阻率,單位為Ω/square。對vdp-volume-resisTIvity測試,用戶必須輸入樣本厚度,然後計算出電阻率,單位為Ω-cm。對這兩項測試,都強制應用電流,進行8項電壓測量。

        還可以使用霍爾係數測試。使用四台SMU儀器,強制應用電流,使用正負磁場進行8項電壓測量。磁場使用固定磁鐵生成,會提示用戶顛倒磁場。可以在測試庫中找到hall-coefficient測試,添加到項目樹中。

        為成功地進行電阻率測量,我們必需考慮潛在的錯誤來源。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:當帶電物體放到不帶電物體附近時,會發生靜電干擾。通常情況下,干擾的影響並不顯著,因為電荷在低電阻時會迅速消散。但是,高電阻材料不允許電荷迅速衰退,所以可能會導致測量不穩定。由於DC或DC靜電場,可能會產生錯誤的讀數。2)泄漏電流:對高電阻樣本,泄漏電流可能會劣化測量,泄漏電流源於電纜、探頭和測試夾具的絕緣電阻,通過使用優質絕緣體、降低濕度、使用保護裝置等,可以最大限度地降低泄漏電流。3)光線:光敏效應產生的電流可能會劣化測量,特別是在高電阻樣本上。為防止這種效應,應把樣本放在暗艙中。4)溫度:熱電電壓也可能會影響測量精度,源電流導致的樣本變熱也可能會產生熱電電壓,實驗室環境中的溫度波動也可能會影響測量。由於半導體的溫度係數相對較大,所以可能需要使用校正因數,補償實驗室中的溫度變化。5)載流子注入:此外,為防止少數/多數載流子注入影響電阻率測量,兩個電壓感測端子之間的電壓差應保持在100mV以下,理想情況下是25mV,因為熱電壓kt/q約為26mV。在不影響測量精度的情況下,測試電流應儘可能低。

        通過使用四個SMUs和內置測試,可以利用4200A-SCS參數分析儀簡便地在半導體材料上實現范德堡法測量。通過使用用戶提供的磁鐵,還可以確定霍爾遷移率。如果想測試低電阻材料(如導體),可以使用基於Keithley 3765霍爾效應卡的系統,包括2182A納伏表。

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        發表於 2018-10-25 08:21 3333次閱讀
        普源精電(RIGOL)喜迎20周年華誕 匠•見初...

        泰克全新智能型AFG31000系列,顛覆生成測試...

        AFG在電子測試中發揮重要作用並得到廣泛採用,但AFG在易用性方面已經明顯滯後於其他測試儀器,比如顯....
        發表於 2018-10-24 11:29 3085次閱讀
        泰克全新智能型AFG31000系列,顛覆生成測試...

        第92屆中國電子展——凝心聚力 蓄勢待發

        距10月31日還剩20天!第92屆中國電子展在台湾新國際博覽中心就要開幕啦!這一令人矚目的電子行業盛....
        發表於 2018-10-12 16:43 11814次閱讀
        第92屆中國電子展——凝心聚力 蓄勢待發

        福祿克應邀參加全國溫度計量發展與應用技術年會

        中國計量測試學會溫度計量專業委員會在台湾長沙主辦了溫度計量發展與應用技術學術交流會。會議結合國內外溫....
        發表於 2018-10-08 15:00 2290次閱讀
        福祿克應邀參加全國溫度計量發展與應用技術年會

        50000平米!50000人!1000家企業!9...

        電子元器件處於電子信息產業鏈上游,是計算機及網路、數字音頻等系統和終端產品發展的基礎,對電子信息產業....
        發表於 2018-09-28 10:46 4931次閱讀
        50000平米!50000人!1000家企業!9...

        益萊儲最新任命Tom Reslewic為全球CE...

        益萊儲宣布任命Tom Reslewic為公司新的全球CEO,該任命將於10月1日生效,他將在位於加州....
        發表於 2018-09-26 15:49 2606次閱讀
        益萊儲最新任命Tom Reslewic為全球CE...

        如何應用LoRa技術,更精準監測空氣質量

        覺得空氣質量監測站的數據不可靠?看機智的歐洲人民如何應用LoRa技術,藉助鴿子的力量更精準地監測空氣....
        發表於 2018-09-21 09:18 4697次閱讀
        如何應用LoRa技術,更精準監測空氣質量

        物聯網迎來新一輪的增長期,測試測量企業將如何跟得...

        隨著物聯網、汽車電子和通用技術的迅猛發展,測試測量行業也將迎來新一輪的增長期。目前全球測試測量市場可....
        發表於 2018-09-19 10:50 962次閱讀
        物聯網迎來新一輪的增長期,測試測量企業將如何跟得...

        物聯網旋渦時代中 測試測量廠商各出奇招

        在人類社會高速信息化發展的過程中,測試測量技術和設備一直默默無聞地發揮著推手作用。作為系統設計「查錯....
        發表於 2018-09-18 11:47 3935次閱讀
        物聯網旋渦時代中 測試測量廠商各出奇招
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