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物理学专业实验室

物理学专业实验室主要面向物理系本科生高年级学生,《物理学专门化实验》课程涵盖了光电子、半导体、微电子学三个专业方向。实验内容紧扣理论课程,多数实验为综合性实验,专业性较强,是对学生将来进入研究生阶段学习或从事研发工作所必须的科研能力训练。实验过程学生可接触和使用大量高新仪器设备,对实验本身的设计、动手能力及逻辑思维都是很好的训练。有些实验仪器设备及实验内容还可结合毕业论文或毕业设计,可进一步丰富学生的实践内容。本实验室同时还承担研究生《现代物理实验方法》的教学实验。

物理学专门化实验主要内容介绍:

1、 PN结器件电流-电压特性

PN结是半导体结型器件的核心,是IC电路的最基本单元,诸多半导体器件都是由PN结组成的。最简单的结型器件是半导体二极管,根据不同场合的用途,使用不同掺杂及材料制备工艺制成多种二极管,如整流二极管、检波二极管、光电二极管(发光二极管、光敏二极管)等,三极管与结型晶体管就包含有两个PN结。因此,深入了解与掌握PN结的基本特性,是掌握与应用晶体管等结型器件的基础。

2、 半导体中浅能级杂质浓度的测量

种类繁多的结型半导体器件已经在科学研究和国民经济各个领域广泛得到应用。在各种结型半导体器件中PN结占有相当的比例,作为器件的核心PN结具有明显的电学特性,而这种特性又和器件的内部结构紧密相联的。不管用什么半导体材料或是什么工艺技术制备的PN结,它都具有一定的结电容,这种结电容又随外加电压而变化。根据电容电压的关系可以计算出在结型器件中浅能级的杂质浓度,有助于加深对半导体PN结内部结构参数的认识,通过不同工艺条件对比,对于研制出理想的半导体器件具有重要意义。

3、 金相显微观察

通过实验熟悉和使用金相显微镜观察硅器件表面及硅单晶缺陷以检验其优劣,定量计算缺陷密度并测量其大小。

4、 用霍尔效应测量半导体薄膜电阻率、载流子浓度和迁移率

霍尔效应是用来表征半导体测量电学特性的重要手段之一,通过本实验可掌握用四点法测量薄膜的电阻率和运用霍尔效应仪测量半导体薄膜的载流子浓度和迁移率,熟悉测量软件的操作。

5、 LED光强及其角分布的测量

光是能引起人眼光亮感觉的电磁辐射。讨论视觉时,光是指可见光波段辐射(380nm-780nm)。本实验主要测量发光二极管(LED)的法向光强,光强角分布,光强与电流关系,电流电压关系及电性能参数。

6、 半导体材料的光致发光特性观测

观察半导体材料光致发光的特性,通过测量不同半导体材料的光致发光谱,学会分析及比较其光致发光的特性,通过实验掌握不同的激光器、单色仪、光电倍增管、锁定放大器等基本测量仪器的原理与使用,学会微弱信号的测量方法。

7、 表面光伏谱测量半导体材料少数载流子扩散长度

表面光伏谱(SPV)是表征扩散长度的一种很好方法,因为它无破坏性、非接触、样品预备简单(不需引线连接或高温处理等),是一种稳态测量方法。

少数载流子扩散长度或相应的少子寿命是半导体材料的重要结构参数之一,其数值直接影响材料和器件的质量,包含着集成电路的低缺陷浓度的信息。由于这些原因,表面光伏谱可作为拉晶、外延工艺以及PN结器件制备中的工艺监测手段,IC产业把寿命/扩散长度测量作为“清洁过程监视”。

应用表面光伏谱测量硅材料的少数载流子扩散长度的精度和重复性均可小于10%,已作为硅材料少子扩散长度测定的标准方法之一。

8、光刻技术

光刻工艺是利用类似照相制版的原理,将光刻板上的几何图形转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜上(光刻胶)的一种工艺步骤。将掩膜版图形转移到硅片表面的光刻胶中后,后续工艺便利用光刻胶的保护作用,对SiO层或金属层进行选择性化学腐蚀,从而在SiO层或金属层上得到与光刻版相应的图形。

投影掩膜版是一个石英版版,它包含了要在硅片上重复生成的图形。由于在图形转移到光刻胶中光是最关键的,并且通过光学控制,所以光刻有时被称为光学光刻。

9、 半导体材料清洗工艺

在半导体器件生产中,化学清洗是指清除吸附在半导体、金属材料以及生产用具表面上的各种有害杂质或油污的工艺。清洗方法是利用各种化学试剂和有机溶剂与吸附在被清洗物体表面上的杂质及油污发生化学反应和溶解作用,或伴以超声、加热、抽真空等物理措施,使杂质从被清洗物体的表面脱附(或称解吸),然后用大量高纯热、冷去离子水冲洗,从而获得洁净的物体表面。

在晶体管和集成电路生产中,几乎每道工序都有化学清洗的问题。化学清洗的好坏对器件性能有严重的影响,处理不当,可使全部硅片报废,做不出管子来,或者使制造出来的器件性能低劣,稳定性和可靠性很差。因此弄清楚化学清洗的作用和原理,对从事半导体器件生产来说有着重要的意义。

10、半导体器件应用与光纤通信系统原理实验

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源,它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号;光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号,先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光学信道包括最基本的光纤,还有中继放大器EDFA等;而光学接收机则接收光信号,并从中提取信息,然后转变成电信号,最后得到对应的话音、图象、数据等信息。

通过本实验可以掌握光纤通信系统有源及无源元件使用与测试,学会构建粗光波分复用系统和光纤局域网。

11、光学全息照相

全息照相,就是利用干涉方法将自物体发出光的振幅和位相信息同时完全地记录在感光材料上,所得的光干涉图样在经光化学处理后就成为全息图,当按照所需要的光照明此全息图,能使原先记录的物体光波的波前重现。这是六十年代发展起来的一种新的照相技术,是激光的一种重要的应用。

光学全息照相是要把物体上发出的光信号的全部信息,包括光波的振幅和相全部记录下来。光学全息照相实验是利用激光光波的干涉将影像与再现影像记录下来的一种摄影,它与一般的立体照片技术完全不同,再现时,通过原光路衍射得到与原物体完全相似的物光波,就能得到物体的立体图像,我们可以围着它观看各个侧面,全息影像只是摸不到真实的物体。

12、白光再现全息图

平面全息图相当于一个复杂光栅,它在白光照射下会产生色散,使各个波长的像相互交叠,导致像的色模糊,即平面全息图是一种色散元件。因波长变化所引起的像的位置变化量ξ与再现像到全息干版的距离ΔZ以及波长变化量Δλ成正比。因此,可通过使ΔZ→0,就是使像成在全息干版上,即“像全息”;使Δλ→0,就是附加窄带滤光片,即加上单色仪中的狭缝,则将得到彩色、清晰的全息再现像。这是彩虹全息的基本思想。

白光再现全息图的制作成功,使得全息照相技术开始走出实验室并在人们的日常生活中展示出诱人的魅力和广阔的前景。通过本实验学习几个可用白光再现的全息图记录和再现原理,以及制作方法,包括平面彩虹全息图和反射式体积全息图,学会全息光路的设计原则和设计技巧。

13、阿贝成像原理和空间滤波

近20年来,波动光学的一个重要发展,就是逐步形成了一个新的光学分支-傅立叶光学。把傅立叶变换引入光学,在形式和内容上都已成为信息光学发展的起点,全息术和光学信息处理,作为傅立叶光学的实际应用发展极为迅速。阿贝--波特空间滤波实验是对阿贝成像原理最好的验证和演示,是傅里叶光学变换最基础的实验。用相干光照射一张细丝网格,在成像透镜的后焦面上出现周期性网格的傅里叶频谱,最后这些频谱综合而在像面上复现网格的像。展示成像过程中“分频”与“合成”作用,学习方向滤波、高通滤波、低通滤波等技术,观察各种滤波器产生的滤波效果。

通过实验可加深对阿贝成像原理和傅里叶光学中关于空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用。

14、实时联合傅里叶相关识别

图象识别在近代光学技术中有重要的应用,在许多系统中物体和目标首先进行光学成像,然后再运用计算机软件进行综合分析。联合傅里叶变换(Joint-Fourier transform)是重要的相关处理,在指纹识别、 字符识别、目标识别等领域已逐步进入实用化阶段。 本实验使用空间光调制器实现了实时光电混合处理,是典型的近代光学信息处理实验。

光学信息处理中的相关器经常用于图象识别,其特征是并行处理。一个二维图像在相关器中并行读入并进行处理,因此图象识别的速度非常快。该技术已广泛的应用于指纹识别、字符识别和目标判读。应用空间光调制器(SLM)可以实现光电混合处理。这是一个典型的近代光学信息处理实验,本实验仪器用具的选择和光路设计、安装调整有很大的随意性。软硬件均具有开放的特点,既适合于演示实验、又是一个理论和实验相结合的综合性实验和设计型实验。

15、用AFM扫描二维光栅图像

所谓原子力显微镜(AFM)就是利用原子间的作用力来达到观察目的的显微镜,原子间的力很小,如何才能灵敏地加以利用?人们通过计算发现,制造一个弹性系数小于原子之间的相关的量是很容易的。例如,结合在分子或晶格中的原子的振荡频率(ω)为1012赫兹或更高,原子的质量(m)在10-25千克左右,则原子之间的弹性系数(ω2m)为10N/m的量级。而一片4mm长1mm宽的家用铝箔的弹性系数约1N/m。因此利用这类可敏感到0.1纳米的偏移量的弹性悬臂,人们可以获得原子级的形貌图像。而且所利用的这种力也不至于大到将原子离开它原来所在的位置,这就是原子力显微镜的物理基础。

16、四探针法测量材料电阻率

半导体材料电阻率的测量方法有许多种,目前应用最广泛的是四探针法和扩展电阻法。

四探针法是目前检测半导体材料电阻率的主要方法,其优点是设备简单、操作方便、测量精度高,对样品的形状无严格要求,适合在生产中应用。四探针法测量外延层样品电阻率时,要求外延层和衬底之间要有p-n结隔离,或者外延层电阻率要比衬底电阻率小得多,而不能用于低阻衬底上生长高阻外延层,如n/n+、p/p+或者低阻衬底上低剂量离子注入层样品电阻率的测量。对于后者,可用扩展电阻法测量。扩展电阻法的探针取样体积小、分辨率高,主要用于薄层或多层结构硅中杂质浓度、深度分布的测量。上述两种测量电阻率的方法各有长短处,这两种方法加上阳极氧化剥层技术和磨角技术又都可用于硅片电阻率深度分布的测量。