實驗六 電容-電壓法測量p+n結的平均雜質濃度和雜質分布

實驗六電容-電壓法測量p+n結的平均雜質濃度和雜質分布實驗項目性質：綜合實驗所涉及課程：半導體物理，微電子器件物理計劃學時：2學時一、實驗目的1.掌握電容-電壓特性測試儀的使用2.通過測量p+n二極管電容與反向電壓的關系，測量硅p+/n外延層的雜質濃度隨深度的分布。二、實驗原理對于一個P+N的單邊突變結。P區(qū)一邊空間電荷區(qū)很窄，是因為摻雜濃度很高?？臻g電荷的寬度幾乎全在n型半導體一邊，其中正的空間電荷由電離施主構成，此空間電荷區(qū)稱為耗盡層，如圖1所示。耗盡層的寬度取決于半導體的雜質濃度。平衡時耗盡層的寬度為：（1）（1）當外加偏壓時，耗盡層的寬度隨外加電壓的變化二變化：（2）（2）（3）（3）耗盡層的厚度隨外加電壓的變化直接反映著耗盡層具有一定的電容，這個電容叫做二極管的勢壘電容。耗盡層的兩個界面可以看作平行板電容器的兩個面板，其電容值可由下述關系表示：（4）（4）勢壘電容與低濃度一邊的摻雜濃度成正比；與（Vbi-V）1/2成反比。通常用pn結二極管和其他器件的C-V數據來確定器件的參數，特別是結輕摻雜一側的平均雜質濃度和雜質分布。C-V測量在器件表征和測試中已經成為常規(guī)的手段。現(xiàn)在分析C-V數據，假設測試器件是一個非對稱摻雜的突變結。對于假定的結分布，將（2）代入（4）式兩邊求倒數（5）（5）式表明1/CJ2與VA的關系應該是一條直線，斜率的倒數正比于NB，而且外推到1/CJ2=0處的截距等于Vbi。因此假設二極管的面積A是已知的，利用該圖的斜率可以很容易地推導出NB。顯然1/CJ2與VA的直線圖也驗證了可以用突變結來模擬該二極管。顯然，可以將前面的圖形方法擴展到線性緩變和其他雜質分布上，但人們卻很少這么做。正如該方法所顯示出的，事先無需知道雜質分布的性質，就可以利用C-V數據直接推導出結輕摻雜一側的雜質濃度隨位置的變化關系。省略推導細節(jié)，只需要記住雜質濃度隨位置的變化關系為（6）（7）其中x是結輕摻雜一側離開冶金結的距離。注意，可將（5）式突變結關系式代入（6）式，得到的結果將與位置無關，這與預期的結果相一致。此外，由于需要用到C-V數據的斜率和導數，所以結果容易受到噪聲的影響。盡管如此，利用C-V確定雜質分布的方法實現(xiàn)起來相對簡單，通常能得出有用的結果，因而得到了廣泛的應用.三、電容電壓特性測試儀的使用3.1結構特征描述：本儀器是臺式的，裝有減震器的機箱以便安放于桌上。堅固的注塑外殼經久耐用，采用貼塑面板新工藝，使其美觀高雅。儀器內部由主板、電容顯示板、偏置電壓顯示板、漏電流顯示板、前置板、電源板和接口板七部分組成，均為高密度布置的印刷板，相互用電纜插頭連接，結構設計合理，拆裝方便。在面板左上方是電容顯示窗，左下方是開關和測試端，后板上裝有保險座，三線插座和接地端子保證安全可靠。3.2前面板的控制器和指示燈（見圖）標號說明K電源開關。按下為開電源，按起為關電源K1偏置電壓加載按鈕。剛開機時“去偏壓”指示燈亮，表示CV-2000夾具上并無偏置電壓，按下K1時“加偏壓”指示燈亮，表示偏壓已加至夾具上。再按一下K1，又可去除夾具上偏壓K2測量鍵。剛開機時即處于測量狀態(tài)。當進行開路校準及短路校準后需按下K2鍵，1秒后可見測量現(xiàn)實燈亮即可測量K3短路校準按鈕。按下K3后L1上顯示一個5同時校準及通過指示燈亮，然后在夾具插入短路塊，接著按下K5一會，直到通過指示燈重新亮，拿出短路塊，則短路校準完成K4開關校準按鈕。按下后L1上顯示一個0，同時校準及通過指示燈亮，按下K5一會，直到通過燈亮，表示開路校準完成K5校準觸發(fā)按鈕。K5結合K3、K4鍵一齊使用見K3、K4說明L1電容值顯示屏L2偏置電壓顯示屏L3漏電流顯示屏W1偏置電壓粗調是多圈電位器。W1調節(jié)范圍大，作為W2輔助調節(jié)，當W2向右旋盡后，就需要W1配合使用（見使用說明）W2偏置電壓微調是多圈電位器。W2調節(jié)幅度0-19V，如元件偏壓不高，使用W2即可（此時W1左旋到底），如元件偏壓較高，需結合W1使用（見使用說明）P測試端接口測試端L1測試端L1L2L3KW1K1W2K2K3K4K5四、實驗內容及步驟4.1開機儀器安裝連接好后，把電源開關按到ON位置，電源接通，儀器執(zhí)行自檢程序。如果沒有故障，測試指示燈亮。偏置電壓指示狀態(tài)為（電壓去），雖然偏置電壓有顯示，但該電壓尚未加到夾具上去。4.2連接被測件被測件引線應相當清潔且筆直，將它插入CV-2000測試座具即可。若測試件引線臟，必須先擦干凈，以保證接觸良好。4.3零校準由于溫度變化或改變夾具，都會引起寄生電感變化，因此，在每天開機30分鐘后，改變夾具或溫度變化大于3℃時，都要完成零校準。分兩步完成：開路零校準：開機在測量功能檢查之后，應按[開路校準]按鈕。在電容顯示屏內出現(xiàn)一個零，并且通過燈亮，讓人體遠離儀器。按[校準觸發(fā)]鍵并等一會，直到通過燈重新亮，開路校準完成。短路零校準：把隨機附帶的短路銅片插入測試槽按[短路校準]按鈕，電容顯示屏內出現(xiàn)一個5，并且通過燈亮，按[校準觸發(fā)]鍵等一會直到通過燈重新亮，短路零校準完成。完成后請將短路銅片拿開。4.4測量在零校準后按測試鍵，當測試指示燈亮即進入測試狀態(tài)。4.5偏置電壓下測試電容A、完成上面四個步驟后，把元件插入CV-2000夾具，夾具的插槽電壓極性如下圖所示，左邊插槽為（+）極，右邊插槽為（-）極。如測試三極管電極、基板反向電壓特性，如系PNP型三極管基極插入（-）插槽，集電極插入（+）插槽，然后加不同偏壓即可得出不同偏壓下的電容值。CV-2000測試座CV-2000測試座-+-+如二極管，則二極管的“+”極插入（-）插槽，“-”極插入（+）插槽，即可得出不同偏壓下的電容值。B、粗調電位器“W1”及微調電位器“W2”的使用：W2的調節(jié)范圍是0-V0（V0在20V以下，不同機器有些許差別），可精確調節(jié)每0.1V。當測試元件反向耐壓在V0以下，可將W1左旋至盡，單獨調節(jié)W2即可。當測試元件反向耐壓在100V以下，則需W1、W2配合使用，請按下一步驟進行操作：首先測量20V以下電容值，將W1左旋至盡，單獨調節(jié)W2同時記錄電容值，將W2左旋到頭時記下電壓V1。完成后再將W2左旋至盡，然后慢慢左旋W1使偏置電壓顯示為V1，然后慢慢調節(jié)W2，并記錄電容值，當W2右旋至盡時記下電壓V2。完成后再將W2左旋至盡，然后右旋W1使偏置電壓顯示為V2，然后慢慢調節(jié)W2，重復步驟即可得到100V以內的偏置電壓的電容值。4.6為保護下次測量的器件關機前請分別將W1、W2左旋至盡，使偏置電壓顯示為0V。在面板左上方是電容值顯示窗，左下方是電源開關和測試端，后板上裝有保險座，三線插座和接地端子保