Metody badania 

materiałów 

półprzewodnikowych 

Systematyka

Podział ze względu na właściwości 

półprzewodników:

• Elektryczne
• Strukturalne
• Optyczne
• Termiczne

Parametry półprzewodników (1)

Parametry elektryczne:
• rezystywność
• typ przewodnictwa
• koncentracja nośników
• ruchliwość nośników
• stała dielektryczna
• przerwa energetyczna

Parametry półprzewodników (2)

Parametry strukturalne:
• skład materiału
• struktura atomowa
• rozmiar komórki elementarnej
• topografia powierzchni
• naprężenia w materiale
• liczba defektów strukturalnych

Parametry półprzewodników (3)

Parametry optyczne:
• współczynnik załamania
• charakterystyka spektralna
• optyczna przerwa energetyczna
• tłumienność

Parametry półprzewodników (4)

Parametry termiczne:
• współczynnik rozszerzalności cieplnej
• przewodność cieplna

Pomiar parametrów elektrycznych – 
rezystywność, koncentracji 
domieszek

Metoda sondy czteroostrzowej

Głowica pomiarowa jest wyposażona w cztery ostrza 

ustawione wzdłuż jednej prostej w jednakowej 
odległości od siebie. Przez zewnętrzne ostrza płynie 
prąd I, a pomiędzy dwoma wewnętrznymi ostrzami 
mierzony jest spadek napięcia.  Rezystywność 
warstwy oblicza się korzystają z wzoru:

d - grubość warstwy [m], K - współczynnik korekcyjny, 

Współczynnik korekcyjny równy jest 4, 53 dla warstw, których 
grubość jest 3 razy mniejsza od odległości miedzy ostrzami.

Pomiar parametrów elektrycznych – 
rezystywność, napięcie przebicia

Metoda sondy trzyostrzowej

Podstawa pomiaru rezystywności metoda sondy 

trzyostrzowej jest zależność napięcia przebicia 
Up diody ostrzowej od rezystywności 
półprzewodnika. Ostrze metalowe, stykając się z 
powierzchnia warstwy, stanowi diodę ostrzowa. 
Do ostrzy 1 i 3 doprowadza się napięcie 
zewnętrzne polaryzujące zaporowo diodę 
wytworzona z badanej warstwy i ostrza 3. W 
pobliżu ostrza 3 wytwarza się obszar ładunku 
przestrzennego. Napięcie przebicia mierzy się 
miedzy ostrzami 2 i 3.

Pomiar parametrów elektrycznych – 
rozkład koncentracji domieszek

Metody - CV, ECV 

Do wyznaczania rozkładu koncentracji domieszek w 

głąb warstwy epitaksjalnej wykorzystuje się 
zależność pojemności złącza p-n od przyłożonego 
wstecznego napięcia polaryzacji. Metoda polega 
na wytworzeniu w badanej warstwie złącza p-n, 
zmierzeniu jego charakterystyki pojemnościowo-
napięciowej,   a następnie wyznaczeniu rozkładu 
koncentracji domieszek w warstwie. W przypadku 
pomiarów ECV złącze zbudowane jest z badanego 
półprzewodnika i elektrolitu. ECV umożliwia 
trawienie badanej próbki.

Pomiar parametrów elektrycznych – 

typ przewodnictwa 

Określanie typu przewodnictwa 

Do próbki przykładamy gorącą i zimna 

sondę. Mierząc napięcie pomiędzy sondami 
możemy określić typ półprzewodnika. Jeżeli 
na gorącej sondzie jest potencjał dodatni to 
znaczy, ze półprzewodnik jest typu n. Jeśli 
ujemny to typu p.

Pomiary parametrów elektrycznych 
–
przerwa energetyczna

Wyznaczanie wartości przerwy energetycznej Eg 

półprzewodnika jest metoda bezpośrednią. Minimalna 
energia fotonu, która jest potrzebna do 
międzypasmowego przeniesienia elektronu równa jest 
wartości tej przerwy. Dla fotonów, których energia hv 
jest mniejsza niż Eg współczynnik absorpcji  jest równy 
zeru, czyli dla nich półprzewodnik jest prawie  
przezroczysty. Natomiast dla fotonów o energii hv > Eg 
współczynnik absorpcji gwałtownie rośnie.

Pomiar parametrów elektrycznych – 

koncentracja, ruchliwość nośników

Zjawisko Hall’a

 

polega na powstaniu poprzecznej różnicy 

potencjałów na płytce półprzewodnika, przez którą przepływa prąd, 
jeżeli jest ona umieszczona w polu magnetycznym prostopadłym do 
kierunku przepływu prądu. Siła Lorentza działająca na poruszający 
się elektron powoduje zakrzywienie torów elektronów w kierunku 
jednej ze ścianek płytki półprzewodnika. W warunkach równowagi 
poprzeczne pole elektryczne EH wywołane efektem Hall’a będzie 
działało na elektrony siłą eEH równa co do wartości sile Lorentz’a, 
przeciwstawiając się dalszemu odchylaniu elektronów.

Pomiar parametrów elektrycznych – 

koncentracja, ruchliwość nośników 
(2)

-siła Lorentza: 
-stan równowagi: 
lub: 
-gęstość prądu: 

    

j=nev

Koncentracja nośników:

Konduktywność:

Ruchliwość nośników: 

Pomiary parametrów elektrycznych – 
stała dielektryczna, przenikalność 
magnetyczna

Spektroskopia impedancyjna

• metoda mostkowa
• rezonansowa
• U-I

Pomiary parametrów 
elektrycznych

DLTS – spektroskopia 

pojemnościowa

DLTS pozwala na wyznaczenie parametrów 

poziomów defektowych:

-energia aktywacji głębokiego poziomu
-przekrój czynny na pułapkowanie
-szybkość termicznej emisji nośników
-szybkość wychwytu nośników

Pomiary parametrów 
strukturalnych

Dyfrakcja rentgenowska XRD

Długość fali promieniowania X jest rzędu 1 A - zatem 

dyfakcja może zachodzić na siatce krystalicznej. 

Warunek Bragg’a:

λ = 2d sin

Możemy badać:
• rodzaj struktury krystalograficznej i wyznaczyć 

stałą sieciową

• zidentyfikować obecne fazy krystalograficzne
• zmierzyć obecność defektów w krysztale.

Pomiary parametrów 
strukturalnych

Elektronowy mikroskop 

transmisyjny - TEM

Zastosowanie:

-analiza mikrostrukturalna
-analiza międzypowierzchniowa
-struktura krystaliczna
-lokalna analiza pierwiastkowa

Pomiary parametrów 
strukturalnych

Metoda OBIC (LBIC)

Zogniskowana wiązka o określone długości skanuje 

od punktu do punktu powierzchnie próbki 
półprzewodnikowej powodując generacje par e-d.

Zastosowania:
-defekty (granice ziaren)
-kontakt w złączu p-n

Pomiary parametrów 
strukturalnych

• Scanning electron microscope – skład, 

topologia

• Reflection High Energy Electron Diffraction 

– analizowanie wzrostu warstw podczas MBE

•  LEED - struktura
• Auger electron spectroscopy – skład
• Secondary Ion Mass Spectroscopy – 

struktura

• Spektroskopia odbiciowa, IR, Ramanowska - 

skład

Pomiary parametrów optycznych

• Wyznaczanie współczynnika załamanie – 

interferometr, światło odbite

• Charakterystyka spektralna, tłumienność – 

absorpcja, transmisja

XPS – spektroskopia 

fotoelektronowa

Pomiary parametrów 
optycznych – charakterystyki 
spektralne