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实验 4 C-V 法测量外延层杂质浓度 PowerPoint PPT Presentation


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实验 4 C-V 法测量外延层杂质浓度. 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

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实验 4 C-V 法测量外延层杂质浓度

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Presentation Transcript


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实验4 C-V法测量外延层杂质浓度


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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。


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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


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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


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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:


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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。


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实验原理

实验测试方框图和测试原理图


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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。


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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。


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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


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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。


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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。


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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。


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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。


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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。


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