GB T 4326-2006 非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方法.pdf

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1、ICS 77.040.01 H 17 GB 中华人民共和国国家标准GB/T 4326-2006 代替GB/T4326-1984 非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方法Extrinsic semiconductor single crystals measurement of Hall mobility and Hall coefficient 2006-07-18发布中华人民共和国国家质量监督检验检茂总局中国国家标准化管理委员会2006-11-01实施发布GB/T 4326-2006 目。昌本标准是对GBjT4326-1984 (非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方法的修订。本标准

2、是在原标准基础上，参考ASTMF76标准编制的。本标准与原标准相比主要变动如下:一一在测量范围条款列举的材料中增加了磷化嫁单晶材料，扩大了本标准的适用范围;一一增加了附录A，在附录A中列出f因子数值表，用于电阻率计算;增加了原理条款，简述了测量原理;一一在样品制备条款中规定样品切片必须经过研磨，以消除机械损伤。取消了原标准中用洗涤剂或有机溶剂清洗样品的规定;改变了用于呻化嫁样品的腐蚀液:增加了规定磷化嫁样品腐蚀方法的条款;一一规定了配制腐蚀液的化学试剂的纯度等级;一修改了呻化嫁样品的电极制备方法，取消了腐蚀过程，改变了烧结条件;二二增加了规定磷化嫁样品电极制备方法的条款;修改了对薄片试样接触尺

3、寸线的要求，由线度不大于O.OlLp改位不大于O.02Lp; 一-在电极制备设备条款中提出对烧结炉的要求;一一取消了原标准中电子设备条款下规定转换开关装置和晶体管图示仪的子条目;取消了原标准中的环境控制装置条款，保留了其中关于试样架的部分内容，改写为5.6条;取消了原标准中定位装置条款;改写了原标准测量程序条款中表述测量步骤的部分，修正了原标准中的文法错误和表述不确切的地方;一二改写了原标准规定测试报告的条款。本标准的附录A为资料性附录。本标准自实施之日起代替GBjT4326 1984 0 本标准由中国有色金属工业协会提出。本标准由全国有色金属标准化技术委员会(SACjTC)归口。本标准由北京

4、有色金属研究总院负责起草。本标准主要起草人:王彤涵。本标准由全国有色金属标准化技术委员会负责解释。本标准所代替标准的历次版本发布情况为:一-一GBjT4326-1984。I 1 范围非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方法G/T 4326-2006 本标准规定的测量方法适用于测量非本征半导体单晶材料的霍尔系数、载流子霍尔迁移率、电阻率和载流子浓度。本标准规定的测量方法仅在有限此t但该方法也可适用于其他半导体单晶附料，-皿卦晶材料的测试。2 术语和定义关系如下:式中:F一一电阻率，。 载流子迁移二必须指出，对于本元采用如下关系式:式中:2.2 霍尔系数hall coefficient A =

5、 ,nef.1 单晶材料进行了实验室测量，电阻率是材基本参数的. ( 1 ) 在半导体单晶材料试样上同时加上互相守制电翩己时机样中的载流子将在第3个互相垂直的方向上偏转，在试样两侧建立横向电场，称之为霍尔电场，见图l。霍尔系数是霍尔电场对电流密度和磁通密度之积的比。式中:RH一一霍尔系数，cm3/C;E, -横向电场，V/cm;Jx一一电流密度.A.cm2; Ru= -H - J x X Bz . ( 3 ) GB/T 4326-2006 Bz一一磁通密度，Gso对于主要是电子传导的n型非本征半导体，霍尔系数是负的;而对于主要是空穴传导的型非本征半导体，霍尔系数是正的。2.3 图1霍尔效应符号

6、规定霍尔迁移率hall mobility 霍尔迁移率是霍尔系数的绝对值与电阻率之比。式中:H一一霍尔迁移率，cm2 V-1 S-1 ; RH一-霍尔系数，cm3/C;p一一电阻率，n.cm。一IRH I H 一一一一-一一一 3 方法原理3. 1 在具有单一型号载流子的非本征半导体中，霍尔系数与材料基本参数的关系如下:式中:RH一一一霍尔系数，cm3/C;广二一霍尔因子;n一-一载流子浓度，cm3;q一二一载流子电量，C。R，工一工nXq ( 4 ) . ( 5 ) 霍尔因子r是依赖于能带结构，散射机构，试样温度，磁通密度和试样晶向的比例因子，它的值通常接近于10在特定的情况下，为了精确地由所

7、测量之霍尔系数确定载流子浓度，要求详细的r值的资料，但在许多情况下，这些资料是不知道的，只能估计r值。在进行比较测量时，测量者应取一致的r值。在缺乏其他资料时，r通常可以取10 3.2 仅在一种载流子的情况下，霍尔迁移率才具有实际的物理意义。在这样的系统中，霍尔迁移率向与电导迁移率之间存在如下的关系:H = 1i ( 6 ) 2 G/T 4326-2006 式中: 电导迁移率，cm2 V-I 5-1。电阻率和霍尔系数是材料中可直接测量的量。只有当己知r值的情况下，根据霍尔系数和电阻率的测量值能够得到载流子迁移率的精确值。为了将习惯上使用的不同单位制的量协调一致，必须以V.5. cm2表示磁通密

8、度，即:1 V 5 cm2 108 G5 取样和研磨试样自单晶键切下，应注意试样必须是完全的单晶。切好的试样，必须用氧化铝或碳化硅沙料水浆研磨，消除机械损伤，并使试样具有均匀、平整光洁的表面，然后用清水冲洗干净。试样的形状4.2. 1 试样可用机械加工方法加工成所需的形状，如平行六面体、桥形或薄片等。4.2.2 平行六面体试样的图形示于图2。试样的总长一般在1.0 cm 1. 5 cm之间，长宽比应大于5, 至少不要小于4。样晶4 4.1 4.2 (llll叫1111111叫:lllt-一一一、 、剧。、司、四 时., v t , W, (c)六接触(b)八接触(a)元接触典型的平行六面体试样

9、桥形试样的图形示于图30八接触试样对几何尺寸作如下要求，见图3中(a)和(c): L，二三4W，;W，二三3;bl、b2二三W，;图24.2.3 4.2.4 t，0.1 cm;C二三0.1cm; 1. 0 cmL，1. 5 cm; bl=bl士0.005cm;仇=bz士0.005cm; dl =dl:!: 0.005 cm;比=d2土0.005cm; b1十d1=L，/2士0.005cm; b1 +d1 =L，/2士0.005cm; 3 blb2;dl句d20GB/T 4326-2006 ( d ) 4. 2.5 t, (a)圆形(b)四日十形(c)方形(d)矩形图4典型的对称薄片试样4. 3

10、 腐蚀成形的试样洗净后需经过腐蚀。4.3. 1 对错材料试样，推荐使用将过氧化氢、氢氟酸和纯水按体积比1: 1 : 4混合成的腐蚀液，在4 G/T 4326-2006 25.C:!: 5.C下腐蚀3min 5 min。4. 3.2 对硅材料试样，推荐使用的腐蚀掖是氢氧化饵洛液，在90.C下腐蚀3min5 min。4.3. 3 对呻化嫁材料试样，推荐使用将硫酸、过氧化氢和纯水按体积比3: 1 : 1混合而成的腐蚀液，在室温下腐蚀约30s50 s。4.3. 4 对磷化嫁材料试样，推荐使用将铁氧化嫁溶液、氢澳酸和冰醋酸按体积比1: 1 : 1混合成的腐蚀溶液，在40.C60.C度水浴中腐蚀9minl

11、l min。4. 3. 5 推荐的过氧化氢浓度为30%，氢氧化御的浓度为82%，氢氟酸的浓度为40%，纯度等级为分析纯。经腐蚀后的试样必须用纯水冲洗干净。4. 4 电极的制备用下述方法制备电极。4.4. 1 对错材料试样，过1min，再用去离镇等。必要时可周t(Van der 5 设备5. 4 磁体喂I、烧结5S 10 s。的宽度应小于0.2mm。不要大于0.02Lp。如子，采用范德堡方法使用的冲模应保持试样磁体可以是电磁体、永久磁体。磁通著宫前有确度要求达到士1%。要求磁体能对放置其中的试样提供:!:1%均匀度的磁场。在使用电磁体时，应保证在测量时其磁通稳定度达到:!:1%。5.5 电子设备

12、5. 5. 1 可调电流源。电流稳定性不低于士0.5%。测量时要求电流在试样上建立的电场小于1 V/cm。5.5.2 标准电阻器。如使用标准电阻测量电流，标准电阻的误差小于土0.1%。5. 5.3 电流表。如使用电流表测量通过样品的电流，电流表的误差小于士0.5%。5. 5.4 电压表。电压测量推荐使用数字电压表。电压测量误差小于:!:1%。电压表的输入阻抗应是被测试样总阻的1000倍以上。也可以使用符合这种要求的电位差计、伏特计和静电计。5 GB/T 4326-2006 5.6 试样架试样架应置于磁场的中心，使试样平面与磁通方向垂直。试样架必须由非磁性材料构成，不会对磁场造成影响，在试样位置

13、上磁通密度值的变化应不大于:l:1%。需要在低温下测量时，试样架可置于杜瓦瓶之中，或将试样直接安装在低温制冷机冷头上。低温容器也必须由非磁性材料制成。6 测量过程6. 1 电阻率测量电阻率测量应在零磁场条件下测量。6. 1. 1 平行六面体和桥形试样按图5连接试样。将接触选择开关先后置于1、2和4位置，测量电压Vj (+D、Vz(+D和V4(+D。改变电流方向，重复上述过程，测量电压Vj(-I)、Vz(-I)和只(-1)。6. 1. 2 薄片试样按图6连接。首先测量标准电阻上的电压降Vs(十1)，而后接触选择开关置于1、2、3和4，测量电压Vj(十1)、Vz(+1)、V3(十1)和V4(+D。

14、电流换向，重复上述过程，测量电压Vj(-l)、V2 (-D、V3(-I)和V4(-D。6.2 霍尔测量6.2.1 平行六面体或桥形试样按图5连接。接通磁场并调节到所要求的正磁通密度值。在正向电流下，接触选择开关先后接通位置1、3和5(对六接触试样)，测量电压Vj(十1，+B)，V3(+I，+B)和V5(+1, +B) (对六接触试样)。电流反向，测量电压Vj(-I，十B)、V3(-I，+B)和V5(-I，+B)(对六接触试样)。磁通方向反向，并保持同一磁通密度(:l:1 %)，测量电压Vj(-1, -B)、V3(-I，-B)和V5(- 1, -B) (对六接触试样)。电流再次反向，测量电压Vj

15、(+1，-B)、V3(十1，-B)和V5(+ 1, 一B)(对六接触试样)。6.2.2 薄片试样按国6连接。接通磁场并调节到要求的正磁通密度值。在正向电流下，首先测量电压Vs(十1，+ B)，然后接触选择开关先后接通位置5和6，测量试样上的电压降V5(+1，+B)和V6(+1，+B)。电流反向，测量电压Vs(-I，十B)、Vs(-1，+B)和V6(-1, +B)。磁通方向反向，并保持同一磁通密度(:1:1%)，测量电压Vs(-l，-B)、Vs(一1，-B)和V6(-I，-B)。电流再次反向，测量电压Vs(+1，一-B)、Vs(十I，-B)和V6(+I，-B)。6.3 上述各个测量步骤中，在每次

16、电流反向时应检验电流的稳定性，要求变化小于:1:0.5%。在每次磁场反向时应检验磁通密度的稳定性，要求变化小于士1%。如果使用永久磁体，则不需要检验磁通密度的稳定性。如果使用无剩磁的电磁体时，可通过检验电磁铁电流的稳定性来确定磁通密度的稳定性。要求电磁铁电流的变化小于士1%。如在低温下测量，还应测量样品的温度和检验样品的温度稳定性。如果电流、磁通密度或温度的变化超出规定的范围，应在稳定后重新进行测量。6.4 如使用电流表测量通过样品的电流，则将图5和图6中的标准电阻换为电流表。6 C 电流源pR悻一标准电阻;D-一一电压表;CR 电流换向开关pPR一一一测量换向开关;S 电位选择开关。C 电流

17、源pR标一一标准电阻;D一一电压表;CR一一-电流换向开关;PR一测量换向开关;PS 测量选择开关;S 电位选择开关。GBjT 4326-2006 圄5测量桥型和平行六面体试样的电路2 13 固6测量薄片试样的电路7 G/T 4326-2006 7 计算7.1 平行六面体或桥形试样电阻率计算某一对电极间的电阻率(Dcm)由式(7)给出:R s X Ws X ts X Iz: : + z -: l . _ . -.一一一一一+一-一一一|(.s LVj(+ l) Vj(一1)JA=2dIJ(7 ) 以上式中，长度单位是厘米(cm)，电阻单位是欧姆(，电压单位为伏特(V)。另一对电极之间电阻率PB

18、(Dcm)由量7.2.1霍2. V4(- 1) Yj(- l) J _ . . (8) . ( 9 ) 如果PA舍弃。RH = 型材料RH7.3 薄片试样电阻测量得到的数据可t+j(-1)+Vz(-1) l ( 12 ) V s(- I) J (V川=FI)十V4(+1)，V3(-l)十V4(-l)向=1. 133 X f X ts X R s ( . 0 I ;r , I十l(13 ) 飞Vs(+1)Vs(-1) J 式中:长度单位是厘米(cm)，电阻单位是欧姆(D)，电压单位为伏特(V)。因子f是QA或QB的相关函数。、E/-、1/一、EJ一、/7A-7a-7A-v品，、-r，、-JS飞、

19、-r，、l-s-2-s v-v-v-v +一十、，J-、J-、/-、SJVA-7A-7a-vA +一+一+一+，、-r，、-，、-r，、lis-21s v-v-v-V A Q . ( 14 ) 8 V3 (十l)，V3(-l)一一-GB/T 4326-2006 QB Vs(十l), V，(一l)= ( 15 ) V4(+ l) , V4( - l) 一一-Vs(+ l) , Vs(- l) 因子f在图(7)中表示为Q的函数，如果Q小于1，则取它的倒数。f的数值表见附录A。如果舍弃。平均RJ.lr = HC一-R J.lC = HD一1. 0 0.9 -样的试样原则上应该B) V5(+ l, -

20、B) l Vs(+ 1, - B) J . ( 17 ) 6 (- I , -B) V6(+ l, - B ) l V s(- l, - B) Vs(+ 1, - B) J . ( 18 ) 式中:长度单位是厘米;电阻单位是欧姆(0);电压单位为伏特(V);B的单位是特(T)。如果RHC和RHD相差大于土10%，说明试样存在着不符合要求的不均匀性，这样的试样原则上应该舍弃。7. 4. 2 霍尔迁移率用式(4)计算。载流子浓度用式(5)计算。7.5 如果使用电流表测量通过样品的电流，上述各计算式要做相应的改变。取消式中的儿，并用电流值代换标准电阻上的电压值。电压单位用伏特，电流单位用安培。8 注

21、意事项8.1 高的接触电阻或有整流特性的电极接触可导致虚假的结果，因此样品电极的欧姆接触特性对测量是至关重要的。如果电流反向后，电流值有明显变化则可能需要重新制作样品电极。9 G/T 4326-2006 8.2 光电导和光生伏特效应能影响电阻率，特别是对于接近本征的材料。所以被测试样应置于蔽光的样品架中。8.3 在测量过程中要保证材料电阻率不随电场变化。通常选择小于1V/cm的电场。由于试样中电场的作用，可出现少数载流子的注入，对于高寿命和高阻材料，这种注入导致在沿棒几厘米的距离内电阻率降低。在对试样加很低电压时，重复测量可知有无载流子注入的情况。在没有注入时，不会发现电阻率变化。因此，在测量

22、时，尽可能选择小的样品电流。8.4 在测量时，应使用较小的测量电流，以免试样发生电流加热。当电流加到试样后，可用电阻率读数随时间的变化来判定测量电流是否适当。8.5 测量装置应置于良好的高频电磁屏蔽之中。8.6 测量高阻试样时，应注意试样表面漏电的问题。8. 7 试样杂质放度不均匀或磁通密度不均匀，将引起测量不准确，甚至可能造成很大的误差。8.8 平行六面体和桥形试样霍尔电极必须远离电流接触端，以避免产生短路效应。8.9 对于各向异性的材料，如n型硅和n型错，霍尔测量受电流和磁场相对于晶轴方向的影响。8. 10 测量过程中，采用电流和磁场换向测量，可消除不包括爱廷豪森效应的其他效应的影响，但爱

23、廷豪森效应引起的误差很小，特别当试样与它的周围有良好的热接触时，可忽略不计。8. 11 测量电路中可能产生假电动势，如热电势，特别是在低温测量时，应仔细检查并予以消除。9 精密度本测量方法可预期的精密度为士7%，这个估计适用于电阻率在0.01n . cm10 n. cm的错、硅、呻化嫁和磷化嫁等材料。10 报告测试报告一般包括下列内容:a) 样品的编号、形状和相应的尺寸;b) 磁通密度，测量电流，样品温度;c) 测量数据;d) 计算得到的电阻率和霍尔迁移率。10 附录A(资料性附录)f因子数值表G/T 4326-2006 表A.1为f因子数值表，以下1、3、5、7、9列为Q值，2、4、6、8、

24、10列为对应的f值。表A.lQ f Q f Q f Q f Q f 1. 02 1. 000 1. 04 1. 000 1. 06 1. 000 1. 08 1. 000 1. 10 1.000 1. 12 1. 000 1. 14 1.000 1. 16 O. 998 1. 18 0.998 1. 20 O. 997 1. 22 O. 997 1. 24 0.996 1. 26 O. 995 1. 28 O. 995 1. 30 O. 994 1. 32 O. 993 1. 34 O. 993 1. 36 O. 992 1. 38 0.991 1. 40 0.990 1. 42 O. 989

25、 1. 44 O. 989 1. 46 0.988 1. 48 O. 987 1. 50 0.986 1. 52 O. 985 1. 54 0.984 1. 56 0.983 1. 58 0.982 1. 60 O. 981 1. 62 O. 980 1. 64 0.979 1. 66 O. 978 1. 68 0.977 1. 70 O. 976 1. 72 0.975 1. 74 0.974 1. 76 O. 973 1. 78 O. 972 1. 80 0.971 1. 82 O. 970 1. 84 O. 969 1. 86 0.968 1. 88 O. 967 1. 90 0.966

26、 1. 92 O. 965 1. 94 O. 964 1. 96 O. 962 1.98 O. 961 2.00 O. 960 2.02 O. 959 2. 04 O. 958 2.06 O. 957 2. 08 O. 956 2. 10 O. 955 2. 12 O. 954 2. 14 O. 953 2.16 O. 951 2. 18 O. 950 2.20 O. 949 2.22 O. 948 2. 24 0.947 2.26 0.946 2. 28 O. 945 2.30 O. 944 2.32 O. 943 2. 34 0.942 2. 36 O. 940 2. 38 0.939 2

27、.40 O. 938 2.42 O. 937 2. 44 O. 936 2.46 O. 935 2. 48 O. 934 2. 50 0.933 2. 52 O. 932 2. 54 O. 931 2.56 0.930 2. 58 O. 929 2.60 O. 928 2. 62 O. 926 2. 64 0.925 2. 66 O. 924 2. 68 O. 923 2.70 O. 922 2.72 0.921 2.74 0.920 2. 76 O. 919 2. 78 0.918 2.80 0.917 2.82 O. 916 2.84 0.915 2. 86 O. 914 2. 88 0.

28、913 2. 90 0.912 2. 92 0.911 2. 94 O. 910 2.96 0.909 2. 98 O. 908 3.00 O. 907 3.02 O. 906 3.04 0.905 3.06 O. 904 3.08 0.903 3. 10 O. 902 3. 12 O. 901 3.14 O. 900 3.16 0.899 3.18 0.898 3.20 O. 897 3. 22 0.896 3. 24 0.895 3.26 0.894 3.28 O. 893 3. 30 0.892 3. 32 O. 891 3. 34 0.890 3.36 0.889 3. 38 O. 8

29、88 3. 40 0.887 3.42 0.886 3.44 0.885 3.46 0.884 3.48 0.883 3. 50 O. 882 3.52 0.882 3. 54 0.881 3.56 O. 880 3. 58 O. 879 3. 60 0.878 3. 62 0.877 3. 64 O. 876 3. 66 0.875 3. 68 0.874 3. 70 0.873 3.72 O. 872 3.74 0.872 3. 76 0.871 3. 78 0.870 3.80 O. 869 3.82 O. 868 3.84 0.867 3. 86 0.866 3. 88 0.865 3

30、. 90 0.865 3. 92 0.864 3. 94 0.863 3. 96 0.862 3. 98 O. 861 4.00 0.860 4.02 O. 859 4.04 0.859 4.06 0.858 4.08 0.857 4.10 0.856 4.12 O. 855 4. 14 0.854 4. 16 0.854 4. 18 0.853 4.20 0.852 4.22 O. 851 4.24 O. 850 4.26 0.850 4.28 O. 849 4. 30 0.848 4.32 0.847 4. 34 0.846 4. 36 0.846 4. 38 O. 845 4.40 0.

31、844 11 GB/T 4326- 2006 表A.l(续)Q f Q f Q f Q f Q f 4. 42 O. 843 4. 44 0.842 4.46 0.842 4.48 O. 841 4. 50 0. 840 4. 52 0.839 4. 54 0. 839 4.56 0. 838 4. 58 O. 837 4. 60 0.836 4. 62 0. 836 4. 64 O. 835 4. 66 0.834 4. 68 O. 833 4. 70 0. 833 4. 72 0. 832 4. 74 O. 83 1 4.76 O. 830 4. 78 O. 830 4.80 0. 829

32、 4.82 0. 828 4. 84 0.827 4.86 O. 827 4.88 0.826 4. 90 0. 825 4. 92 0.824 4. 94 0. 824 4. 96 O. 823 4. 98 0. 822 5.00 0. 822 5. 02 0. 821 5. 04 0.820 5. 06 -企z盆地-.08 0. 819 5. 10 0. 818 5.12 0. 817 5. 14 0. 817 ，有飞O. 816 前阳、0.815 5. 20 0. 815 5. 22 0. 814 5.24 O.驴5. 26 _0.:剖也.5. 28 IV12 5. 30 0. 811

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