載流子遷移率測量方法總結

　　0 引言

　　遷移率是衡量半導體導電性能的重要參數，它決定半導體材料的電導率，影響器件的工作速度。已有很多文章對載流子遷移率的重要性進(jìn)行研究，但對其測量方法卻少有提到。本文對載流子測量方法進(jìn)行了小結。

　　1 遷移率μ的相關(guān)概念

　　在半導體材料中，由某種原因產(chǎn)生的載流子處于無(wú)規則的熱運動(dòng)，當外加電壓時(shí)，導體內部的載流子受到電場(chǎng)力作用，做定向運動(dòng)形成電流，即漂移電流，定向運動(dòng)的速度成為漂移速度，方向由載流子類(lèi)型決定。在電場(chǎng)下，載流子的平均漂移速度v與電場(chǎng)強度E成正比為：

　　式中μ為載流子的漂移遷移率，簡(jiǎn)稱(chēng)遷移率，表示單位電場(chǎng)下載流子的平均漂移速度，單位是m2/V?s或cm2/V?s。

　　遷移率是反映半導體中載流子導電能力的重要參數，同樣的摻雜濃度，載流子的遷移率越大，半導體材料的導電率越高。遷移率的大小不僅關(guān)系著(zhù)導電能力的強弱，而且還直接決定著(zhù)載流子運動(dòng)的快慢。它對半導體器件的工作速度有直接的影響。

　　在恒定電場(chǎng)的作用下，載流子的平均漂移速度只能取一定的數值，這意味著(zhù)半導體中的載流子并不是不受任何阻力，不斷被加速的。事實(shí)上，載流子在其熱運動(dòng)的過(guò)程中，不斷地與晶格、雜質(zhì)、缺陷等發(fā)生碰撞，無(wú)規則的改變其運動(dòng)方向，即發(fā)生了散射。無(wú)機晶體不是理想晶體，而有機半導體本質(zhì)上既是非晶態(tài)，所以存在著(zhù)晶格散射、電離雜質(zhì)散射等，因此載流子遷移率只能有一定的數值。

　　2 測量方法

　　(1)渡越時(shí)間(TOP)法

　　渡越時(shí)間(TOP)法適用于具有較好的光生載流子功能的材料的載流子遷移率的測量，可以測量有機材料的低遷移率。

　　在樣品上加適當直流電壓，選側適當脈沖寬度的脈沖光，通過(guò)透明電極激勵樣品產(chǎn)生薄層的電子一空穴對?？昭ū焕截撾姌O方向，作薄層運動(dòng)。設薄層狀況不變，則運動(dòng)速度為μE。如假定樣品中只有有限的陷阱，且陷阱密度均勻，則電量損失與載流子壽命τ有關(guān)，此時(shí)下電極上將因載流子運動(dòng)形成感應電流，且隨時(shí)間增加。在t時(shí)刻有：

　　若式中L為樣品厚度電場(chǎng)足夠強，t≤τ，且渡越時(shí)間t0τ。則

　　在t0時(shí)刻，電壓將產(chǎn)生明顯變化，由實(shí)驗可測得，又有

　　式中L、V和t0皆為實(shí)驗可測量的物理量，因此μ值可求。

　　(2)霍爾效應法

　　霍爾效應法主要適用于較大的無(wú)機半導體載流子遷移率的測量。

　　將一塊通有電流I的半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場(chǎng)中，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的薄片兩端產(chǎn)生一個(gè)正比于電流和磁感應強度的電勢U，這稱(chēng)為霍爾效應。由于空穴、電子電荷符號相反，霍爾效應可直接區分載流子的導電類(lèi)型，測量到的電場(chǎng)可以表示為

　　式中R為霍爾系數，由霍爾效應可以計算得出電流密度、電場(chǎng)垂直漂移速度分量等，以求的R，進(jìn)而確定μ。

　　(3)電壓衰減法

　　通過(guò)監控電暈充電試樣的表面電壓衰減來(lái)測量載流子的遷移率。充電試樣存積的電荷從頂面向接地的底電極泄漏，最初向下流動(dòng)的電荷具有良好的前沿，可以確定通過(guò)厚度為L(cháng)的樣品的時(shí)間，進(jìn)而可確定材料的μ值。

　　(4)輻射誘發(fā)導電率(SIC)法

　　輻射誘發(fā)導電率(SIC)法適合于導電機理為空間電荷限制導電性材料。

　　在此方法中，研究樣品上面一半經(jīng)受連續的電子束激發(fā)輻照，產(chǎn)生穩態(tài)SIC，下面一半材料起著(zhù)注入接觸作用。然后再把此空間電荷限制電流(SCLC)流向下方電極。根據理論分析SCLC電導電流與遷移率的關(guān)系為

　　J=pμε1ε0V2/εDd3 (7)

　　測量電子束電流、輻照能量和施加電壓函數的信號電流，即可推算出μ值。 (5)表面波傳輸法

　　將被測量的半導體薄膜放在有壓電晶體產(chǎn)生的場(chǎng)表面波場(chǎng)范圍內，則與場(chǎng)表面波相聯(lián)系的電場(chǎng)耦合到半導體薄膜中并且驅動(dòng)載流子沿著(zhù)聲表面波傳輸方向移動(dòng)，設置在樣品上兩個(gè)分開(kāi)的電極檢測到聲一電流或電壓，表達式為

　　Iae=μP/Lv. (8)

　　式中P為聲功率，L為待測樣品兩極間距離，v為表面聲波速。有此式便可推出μ值。

　　(6)外加電場(chǎng)極性反轉法

　　在極性完全封閉時(shí)加外電場(chǎng)，離子將在電極附近聚集呈薄板狀，引起空間電荷效應。當將外電場(chǎng)極性反轉時(shí)，載流子將以板狀向另一電極遷移。由于加在載流子薄層前、后沿的電場(chǎng)影響，因而在極性反轉后t時(shí)間時(shí)，電流達到最大值。t相當于載流子薄層在樣品中行走的時(shí)間，結合樣品的厚度、電場(chǎng)等情況，即可確定μ值。

　　(7)電流一電壓特性法

　　本方法主要適用于工作于常溫下的MOSFET反型層載流子遷移率的測量。

　　對于一般的MOSFET工作于高溫時(shí)，漏源電流Ids等于溝道電流Ich與泄漏電流Ir兩者之和，但當其工作于常溫時(shí)，泄漏電流Ir急劇減小，近似為零，使得漏源電流Ids即為溝道電流Ich。因此，對于一般的MOSFET反型層載流子遷移率，可以根據測量線(xiàn)性區I―V特性求的。

　　3 總結

　　綜上所述，本文共指出了七中載流子遷移率的測量方法，除此之外，還可采用漂移實(shí)驗、分析離子擴散、分析熱釋電流極化電荷瞬態(tài)響應等方法進(jìn)行載流子遷移率的測量。