实验 4 C-V 法测量外延层杂质浓度

1. 实验4 C-V法测量外延层杂质浓度

2. 实验目的和意义 ☆金半结肖特基二极管、检波管、变容管等，具有势垒电容随两端反向电压 线性变化而呈现非线性变化特点， 这种非线性变化恰好与半导体中掺杂的浓度 随结深分布有关。 ☆电容-电压法(C-V法)测量技术，可测得半导体PN结中的杂质分布。 ☆这种方法较二次谐波法，其原理简单，操作方便，测量精度高。 ☆实验目的：了解电容-电压法测量半导体中杂质分布的基本原理；学会函 数记录仪、C-V测试仪的使用方法;学会制作肖特基结并用C-V法测量半导体中杂 质分布。

3. 实验原理 当半导体材料形成PN结时，在结的交界面就形成空间电荷区。这时在PN 结上外加变化的反向电压时，则空间电荷区也随着发生变化，即PN结具有电容 效应，称作势垒电容，其电容值正比于面积，反比于空间电荷区厚度( 相当于平 行板电容器两极板的间距)用公式表示为： C= Aεsε0/x 式中：A为结面积，εs为半导体材料相对介电常数，x为某一直流偏压下耗尽层 宽度并由下式决定： X= Aεsε0/C

4. 实验原理 平行板电容和PN结势垒电容的主要区别在于前者的极板间距离为常数；后 者的PN结空间电荷区宽度不是常数，它随外加电压的变化而变化。PN 结势垒电 是偏压的函数C(V)。二极管势垒电容是指在一定直流偏压下，该电压有微小变化 △V时，相应电荷变化量△Q与△V的比值，称为微分电容，其微分形式为： C = dQ/dV 采用了“耗尽层近似”，对于单边突变结耗尽层基本上存在于低掺杂一边。 对于肖特基结具有和单边突变结类似的形式，则电荷的变化为： dQ = A·N(x)·q·dx

5. 实验原理 其中N(X)为耗尽层X边缘处受主(或施主)杂质浓度。于是： c = dQ/dV = A·q·N(x)·dx/dv 将(1)式对电压V求导数后得到： dc/dv = dc/dx·dx/dv = -A·εs·ε0/x2 ·dx/dv 由上式得到： dx/dv =c/ A·q·N(x) 把上述式子得到浓度表达式：

6. 实验原理 从上式可看到，当测得电容C、微分电容和结的面积时，就可求得耗尽层边 缘处的杂质波度N(x)。在不同的外加偏压下进行测量和计算，就能得到掺杂浓度 随结深的分布。本实验中与N型硅接触的金属是汞探针，当汞和N型硅接触时， 将会在N型硅一侧形成肖特基势垒，耗尽层基本在N型硅一侧，可以分别求出耗 尽层的厚度、掺杂浓度在N型硅中的纵向分布。本实验采用高频C-V测试仪，函 数记录仪及汞探针测N型硅外延层的杂质分布。

7. 实验原理 实验测试方框图和测试原理图

8. 实验原理 当高频小信号电压加到被测样品(被测势垒电容C)和接收机输入阻抗R上 时， 高频信号电压就被 C和R以串联形式分压，如果在样品两端再加上反向直流 偏压， 改变偏压时，势垒电容随反向偏压的增大而减小，其容抗随反向偏压增 大而增大，那么R两端的高频电压就随反向偏压的增大而减小。如果将R两端变 化的信号电压进行高放后经混频、中放、检测后送入函数记录仪的Y轴上， 该直 流偏压的变化就反映了样品的势垒电容的变化。另一方面，将加在样品两端的直 流偏压经分压并加在函数记录仪的X轴上，那么，在函数记录仪上直接可描绘出 样品的电容-电压特性曲线。 本实验内容是以汞和N型硅接触，构成肖特基势垒管并用C-V测试仪描绘其 电容-电压曲线。

9. 实验主要步骤 ☆肖特基二极管的操作 (1)用无水乙醇棉球擦净样品台表面， 并在样品台上的小坑内用针管注入适 量的水，以保证样品衬底与平台欧姆接触，然后将清洗过的硅外延片放在小坑上。 (2)取下汞探针，用酒精棉球擦其端部，然后粘上适当的水银并将汞探针装 好。调整探针使其和样品接触。在显微镜下观察，汞和外延层接触面的直径为 1mm(与显微镜中两竖线间的距离相等)。这时肖特基管制作完毕。 ☆ C-V测试仪使用和定标 (1)将偏置量程置于“10伏”挡，偏置选择于“内” ，极性开关置于“正”，自动记 录开关置于“准备”，记录速度开关置于“断”，取掉“输入”“和“输出”(即样品开路)， 然后开启电源预热20分钟。

10. 实验主要步骤 (2)先不接样品，将电容量程开关 置于“测量”位置，将幅度开关调到零位。 校正电位器放在最小。这时调节电位器使面板上的Pf表指示在零位上，这时调 零结束。 估计样品电容量(如100Pf)，将量程开关置于100PF挡。调整校正电位器使 Pf表满度;再将量程开关置于测量位置，调节“调零”旋扭，使Pf表指零。反复几次。 最后将量程开关置于测量的位置上准备测量。 ☆X-Y记录仪使用和定标 (1)将记录仪上的X和Y分别与C-V仪上的X、Y输入预先联接。将记录笔抬起。 X、Y的量程开关调到“5mv/cm”挡，开启电源预热20分钟。 (2)放下记录笔，调节X、Y的调节旋扭选择原点和座标，然后将笔放在原点

11. 实验主要步骤 把笔抬起。 ☆测量 (1)将样品接入 C-V测试仪的输入、输出端，这时Pf表有一定指示，它为样 品零偏时的电容值，放下记录笔，在XOY面上画出一定高度，该高度与表头指示 值相对应。 (2)将C-V仪的“记录速度”旋扭放在较快位置，X－Y记录仪的“记录、抬笔” 开 关放到“记录”位置。最后将C-V仪的“准备、记录”开关置“记录”，这时便在坐标纸 上画出样品的电容-电压特性曲线。

12. 实验数据处理和分析 ☆公式中各常数为：q =1.6x10-19库仑、硅εs=12、A =πd2/4、d =1mm ，ε0= 8.854x10-14法拉/厘米、△C、△V分别为Pf和V0，则计算耗尽层宽度公 式为： X = 83.41*d2/C 计算距表面距离为X处的杂质浓度N(X)的公式为： N(x) = 9.5 X 101o·c3/d4 ·Δv/Δc ☆由C-V曲线作图，求出某一电容C时的Δv/Δc比值，并列表，取点不少 于15个。 ☆用对数座标纸画出N(x)～X的分布曲线。

13. 实验注意问题 ☆实验前应熟悉所用的C-V测试仪、X-Y记录仪的使用方法，方可通电预热。 ☆制作好肖特基二极管以后，检查一下是否因为样品下的坑内水太多，造成 样品的PN结短路，这时可用滤纸条吸出。 ☆实验中注意记录有关数据，实验完毕，先将各种功能开关调到非工作状 态，关闭电源。

14. 实验思考题 ☆试说明肖特基结C-V法测量杂质分布的局限性。 ☆试说明滴水构成欧姆接触的机理。 ☆试说明电容-电压法自动描绘曲线的原理。

15. 实验参考资料 ☆孙恒慧、包宗明:《半导体物理实验》高等教育出版社。 ☆上海科大半导体室译:《半导体测量和仪器》上海科学技术出版社。 ☆电子科大半导体室编:《半导体专业实验讲义》,1986.9。 ☆王家骅、李长键:《半导体器件物理》科学出版社，1983。