1、 1 半导体物理实验 课程教学大纲 一、课程说明 （一） 课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称 ： 半导体物理实验 所属专业 ： 电子材料与器件工程专业本科生 课程 性质： 专业必修课 学 分 : 4 （二） 课程简介、目标与任务； 本课程是为物理科学与技术学院电子材料与器件工程专业大四本科生所开设的实验课，是一门专业性和实践性都很强的实践教学课程。开设本课程的目标和任务是使学生熟练掌握半导体材料和器件的制备、基本物理参数以及物理性质的测试原理和表征方法，为半导体材料与器件的开发设计与 研制坚定基础。 （三） 先修课程要求，与 先修课与后续相关课程 之间的逻辑关系和内容衔接 ； 由于
2、是实验课，所以需要学生首先掌握半导体物理和半导体器件的基本知识，再通过本课程培养学生对半导体材料和器件的制备及测试方法的实践能力。其具体要求包括： 1、了解半导体材料与器件的基本研究方法； 2、理解半导体材料与器件相关制备与基本测试设备的原理、功能及使用方法，并能够独立操作； 3、通过亲自动手操作提高理论与实践相结合的能力，提高理论学习的主动性。开设本课程的目的是培养学生实事求是、严谨的科学作风，培养学生的实际动手 能力，提高实验技能。 （四） 教材与主要参考书。 教材：半导体物理实验讲义 ,自编教材 参考书： 1. 半导体器件物理与工艺 (第三版 )，施敏，苏州大学出版社， 2. 美 A.S
3、.格罗夫编 ,齐健译 .半导体器件物理与工艺 .科学出版社， 1976 二、课程内容与安排 实验一 绪论 2 1、介绍半导体物理实验的主要内容 2、学生上课要求，分组情况等 实验 二 四探针法测量电阻率 一、实验目的或实验原理 1、 了解四探针电阻率测试仪的基本原理； 2、了解的四探针电阻率测试仪组成、原理和使用方法； 3、能对给定的薄膜和块体材料进行电阻率测量，并对实验结果进行分析、处理。 二、实验内容 1、测量单晶硅样品的电阻率； 2、测量 FTO 导电层的方块电阻； 3、对测量结果进行必要的修正。 三、实验仪器与材料 四探针测试仪、 P 型或 N 型硅片、 FTO 导电玻璃。 实验 三
4、椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率 一、实验目的或实验原理 1、了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理； 2、掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对薄膜厚度和折射率进行测量。 二、实验内容 1、测量硅衬底上二氧化硅膜的折射率和厚度； 三、实 验主要仪器设备及材料 椭圆偏振仪、硅衬底二氧化硅薄膜。 实验 四 激光测定硅单晶的晶向 一、实验目的或实验原理 1、理解激光测量 Si 单晶晶面取向的原理； 3 2、学会利用激光测量单晶 Si 的晶面取向。 二、实验内容 1、单晶 Si 的磨片与腐蚀； 2、测量处理 Si 片的晶面取向。 三、实验主要仪器设备及材料 He-Ne 激光器、光具座、光屏、 NaOH、电炉、
5、烧杯、单晶 Si 片等。 实验五 紫外可见分光光度计 一、实验目的或实验原理 1、 了解紫外可见分光光度计的结构、性能及使用方法 ； 2、 熟悉常见样品透过、 吸收光谱的测量方法。 二、实验内容 1、 分别测量红、蓝墨水的吸收光谱； 2、 测量半导体薄膜的透射 /吸收光谱，并计算材料的光学带隙。 三、实验主要仪器设备及材料 紫外可见分光光度计、 红墨水、蓝墨水、比色皿、半导体薄膜。 实验六 太阳电池参数的测定 一、实验目的或实验原理 1、 了解太阳能电池的基本结构与光电特性； 2、 掌握太阳能电池电学性能测试的基本方法。 二、实验内容 1、无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线； 2、有光照时
6、，测量太阳能电池的短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子。 三、实验主要仪器设备及 材料 太阳能电池板、电压表、电流表、滑线变阻器、直流电流源。 4 实验七 荧光分光光度计测量半导体光致发光 一、实验目的或实验原理 1、理解半导体光致发光的动力学过程； 2、学会利用荧光分光光度计测量半导体的光致发光，确定半导体的带隙与带间能级； 3、分析不同激发波长对半导体发光的影响。 二、实验内容 1、测量不同带隙宽度半导体的光致发光； 2、利用不同激发波长测量同一样品的光致发光； 3、测量光致发光的激发谱。 三、实验主要仪器设备及材料 荧光分光光度计、 ZnO、 GaN 及稀土掺杂 GaN 等。 实验
7、八 MOS 结构高频 C-V 特性测量 一、实验目的或实验原理 1、了解 MOS 结构的 C-V 特性； 2、理解高频 C-V 关系测量确定氧化层厚度、 Si/SiO2界面附近的电荷密度的原理； 3、学会用高频 C-V 关系测量确定氧化层厚度、 Si/SiO2界面附近的电荷密度。 二、实验内容 1、测量 MOS 结构的高频 C-V 特性曲线。 2、通过数据确定氧化层厚度、 Si/SiO2界面附近的电荷密度。 三、实验主要仪器设备及材料 加热装置、高频 C-V 测试仪、 x-y 函数记录仪； MOS 电容等。 实验九 霍尔效应法测量半导体参 数 一、实验目的或实验原理 1、了解霍尔效应的基本原理
8、； 2、学会用变温霍尔效应测量仪来测量样品的霍尔系数和电导率，确定半导体载流子浓度和迁移率。 二、实验内容 5 1、常温下测量样品的霍尔系数和电导率； 2、变温下测量样品的霍尔系数和电导率； 三、实验主要仪器设备及材料 变温霍尔效应测量仪、 P 及 N 型硅片、液氮。 实验十 射频溅射法沉积半导体薄膜 一、实验目的或实验原理 1、了解真空的获得、制备和测量的一般知识； 2、理解超高真空射频磁控溅射设备的结构、工作原理等； 3、学会利用射频磁控溅射设备制备薄 膜。 二、实验内容 1、硅片的清洗处理； 2、真空的获得与测量； 3、 ZnO 薄膜的溅射沉积。 三、实验主要仪器设备及材料 超声波清洗机
9、、超高真空射频磁控溅射设备； 1 号和 2 号清洗液、酒精、 ZnO 靶、 O2、氩气等。 实验十一 等离子体增强化学气相沉积（ PECVD）法制备半导体薄膜材料 一、实验目的或实验原理 1、了解 PECVD 制备薄膜的基本原理，掌握 PECVD 设备的结构； 2、学会利用 PECVD 制备薄膜材料。 二、实验内容 1、衬底的清洗和预处理； 2、掌握 PECVD 设备的结构和操作规程； 3、操作 PECVD 进行薄膜的制备。 三、实验主要仪器设备及材料 超声波清洗机、 PECVD；酒精、 1 号和 2 号清洗液、硅片等。 6 实验十二 场效应晶体管的性能测定 一、实验目的或实验原理 1、理解场
10、效应晶体管的工作原理； 2、学会利用特性曲线获得场效应管主要参数。 二、实验内容 1、测量场效应晶体管的输出特性； 2、测量场效应晶体管的转移特性。 三、实验主要仪器设备及材料 半导体特性测试仪、探针台、场效应管等。 实验十三 半导体材料的赛贝克系数测定 一、实验目的或实验原理 1、了解并掌握几类不同热电效应 原理； 2、了解并掌握半导体材料热电系数的测量原理及测量方法； 3、 了解并掌握如何通过热电系数判断半导体材料的导电类型。 二、实验内容 1、测量单晶硅样品的热电系数及判断导电类型； 2、测量金属铝样品热电系数； 3、测量金属铜样品热电系数。 三、实验仪器与材料 热电系数测定仪、 P 型
11、或 N 型硅片、 ITO 导电玻璃、金属铝颗粒、金属铜颗粒。 实验十四 半导体材料的光刻工艺 一、实验目的或实验原理 1、了解并掌握 光刻机的基本原理 ； 2、 熟悉光刻胶的类型、曝光的原理及 方法； 7 3、 掌握 光刻法制备图形的基本技术 。 二、实验内容 1、 在硅片上光刻法制备简单图形； 2、 显微镜观察测量图形尺寸 ； 三、实验仪器与材料 光刻机 、 暗室、显微镜、光刻胶、显影液、刻蚀液、不同晶向 N 型硅片。 （ 一 ） 教学方法与学时分配 本课程属于实验教学，共 72 学时。 序号 实验名称 学时 必做 /选做 1 绪论 6 必做 2 四探针法测量电阻率 6 必做 3 椭圆偏振法
12、测量薄膜的厚度和折射率 6 选 做 4 激光测定硅单晶的晶向 6 选 做 5 紫外可见分光光度计 6 必做 6 太阳能电池 参数 的测定 6 必做 7 荧光分光光度计测 量半导体的光致发光 6 必做 8 MOS 结构高频 C-V 特性测量 6 必做 9 霍尔效应法测量半导体参数 6 选 做 10 射频溅射法沉积半导体薄膜 6 必做 11 PECVD 制备半导体薄膜材料 6 选 做 12 场效应晶体管的性能测 定 6 必做 13 半导体材料的赛贝克系数测定 6 必做 14 半导体材料的光刻工艺 6 必做 8 （二） 内容及基本要求 实验一 绪论 主要内容： 1、介绍半导体物理实验的主要内容 实验
13、二 四探针法测量电阻率 主要内容： 1、测量单晶硅样品的电阻率； 2、 测量 FTO 导电层的方块电阻； 3、对测量结果进行必要的修正。 【重点掌握】： 1、单晶硅样品的电阻率测量方法 2、 FTO 导电层的方块电阻测量方法； 实验三 椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率 主要内容： 1、 了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理 2、 测量硅衬底上二氧化硅膜的折射率和厚度 【重点掌握】： 1、二氧化硅薄膜的折射 率 、 厚度 的测量方法。 实验四 激光测定硅单晶的晶向 主要内容： 1、单晶 Si 的磨片与腐蚀； 2、测量处理 Si 片的晶面取向。 【重点掌握 】： 1、 利用激光测量单晶 Si 的晶
14、面取向 实验五 紫外可见分光光度计 主要内容： 1、 测量红、蓝墨水的吸收光谱； 2、 半导体薄膜的透射 /吸收光谱，并计算材料的光学带隙。 9 【重点掌握】： 1、液体和薄膜 样品透过、吸收光谱的测量方法 实验六 太阳电池参数的测定 主要内容： 1、无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线； 2、有光照时，测量太阳能电池的短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子。 【重点掌握】： 1、 太阳能电池电学性能测试的基本方法 【 掌握 】 ： 1、 太阳能电池的基本结构与光电特性 实验七 荧光分光光度计测量半导体光致发光 主要内容： 1、测量不同带隙宽度半导体的光致发光； 2、利用不同激发波长测量
15、同一样品的光致发光； 3、测量光致发光的激发谱。 【重点掌握】： 1、 利用荧光分光光度计测量半导体的光致发光，确定半导体的带隙与带间能级 【掌握】： 1、 半导体光致发光的动力学过程 2、 不同激发波长对半导体发光的影响 实验八 MOS 结构高频 C-V 特性测量 主要内容： 1、测量 MOS 结构的高频 C-V 特性曲线。 2、通过数据确定氧化层厚度、 Si/SiO2界面附近的电荷密度。 【重点掌握】： 1、 用高频 C-V 关系测量确定氧化层厚度、 Si/SiO2界面附近的电荷密度 【掌握】： 1、 高频 C-V 关系测量确定氧化层厚度、 Si/SiO2界面附近的电荷密度的原理 实验九
16、霍尔效应法测量半导体参数 10 主要内容： 1、常温下测量样品的霍尔系数和电导率； 2、变温下测量样品的霍尔系数和电导率； 【重点掌握】： 1、 变温霍尔效应测量仪来测量样品的霍尔系数和电导率，确定半导体载 流子浓度和迁移率 实验十 射频溅射法沉积半导体薄膜 主要内容： 1、硅片的清洗处理； 2、真空的获得与测量； 3、 ZnO 薄膜的溅射沉积。 【重点掌握】： 1、 超高真空射频磁控溅射设备的结构、工作原理 2、 利用射频磁控溅射设备制备薄膜 实验十一 等离子体增强化学气相沉积（ PECVD）法制备半导体薄膜材料 主要内容： 1、衬底的清洗和预处理； 2、掌握 PECVD 设备的结构和操作规程； 3、操作 PECVD 进行薄膜的制备。 【重点掌握 】： 1、 PECVD 制备薄膜的基本原理，掌握 PECVD 设备的结构； 2、学会利用 PECVD 制备薄膜材料。 实验十二 场效应晶体管的性能测定 主要内容： 1、测量场效应晶体管的输出特性； 2、测量场效应晶体管的转移特性。 【重点掌握】： 1、 理解场效应晶体管的工作原理 2、 利用特性曲线获得场效应管主要参数
