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实验四、电容-电压法测量n/n+外延层中杂质浓度一、 实验目的通过测量肖特基势垒二极管电容与反向电压的关系,测量硅及砷化镓n/n+外延层的杂质浓度随深度的分布。二、 方法原理目前国内广泛应用电容-电压法测量外延层的杂质浓度,主要是因为它比三探针优越。三探针法是基于反向击穿电压与杂质浓度的关系建立起来的,并且使用标准样品校正的方法。由于反向击穿电压的限制,它对薄片和高阻外延层不适用。而电容电压法可以测量薄层(210微米)与杂质浓度较低的(10121014cm-3)外延层。目前砷化镓外延层很薄,用此法可以满足工作的要求,并且它可以测出外延层中杂质的纵向分布,对检查外延片质量及设计器件有重要的意义。以下我们就来看此方法的基本原则。具有单向导电性的金属-半导体接触,称为肖特基势垒二极管,简称SBD,SBD的结构和PN结是相似的。PN结中所形成的空间电荷区和自建电场,是因为P型和N型半导体的电子费米能级原来高低不同,相互是不平衡的。形成SBD的金属和半导体,一般功函数也不同,所以也是互相不平衡的。因此同样也要发生电荷的流动,形成空间电荷区、自建场和势垒,最后是费米能级在各处达到同一水平。金属和N型半导体的SBD的空间电荷区很象一个P+N的单边突变结。金属一边空间电荷区很窄,是因为载流子浓度很高,相当于很高的掺杂浓度。空间电荷的宽度几乎全在半导体一边,其中正的空间电荷由电离施主构成,此空间电荷区称为耗尽层,耗尽层的宽度取决于半导体的杂质浓度。耗尽层的厚度随外加电压的变化直接反映着耗尽层具有一定的电容。耗尽层的两个界面可以看作平行板电容器的两个面板,其电容值可由下述关系表示:(1)式中:W-耗尽层宽度;e-硅的介电场数;e0-真空电容率;A-结面积。假如半导体内杂质浓度是均匀的,则在耗尽层的区域内,泊松方程的解给出了如下的结论:(2)式中:C结电容A 结面积q电子电荷e半导体材料的介电常数e0真空电容率NDn型半导体外延层施主浓度VI自建电压V外加反向片压的数值由(2)式得:(3)当反向偏压增加时,电容减小,所以: (4)(5)因为结面积为圆形,所以:,代入(5)式得:(6)q=1.610-19库仑,硅的介电常数e=11.75,e0=8.8541014法拉/厘米。把有关常数代入(6)式得:Si: (7)GaAs: (8)(7)和(8)为实际应用的公式,单位为:DV伏特;C, DC微微法;ND(W)厘米-3由(1)式求出外延层深度W:Si:w=81.7d2/C微米(9)GaAs:W=81.2d2/C微米(10)(9)和(10)式中的C用Pf;d直径用mm。通过(7)、(8)、(9)和(10)式可以计算外延层的杂质浓度及外延层深度。三、 实验部分SBD的制作:将外延偏平放,用细牙签蘸取少量金液,轻轻滴在外延片上,一个外延片上滴三四滴。注意金点不能过大,直径在0.61.0mm之间。对高浓度外延片金点要小一些,低浓度可以稍大一些。然后用红外灯烤干。这时在外延片上形成金色的金点,这就是形成SBD肖特基二极管。点金液的配方:Au:HCl:HF=1g:10ml:10ml。欧姆 接触的制备:在测量时要求外延片的背面形成良好的欧姆接触,一般在背面涂上镓锡合金就可以满足测量要求。(镓、铟锡的配方比为:Ga:In:Sn=1:0.8:1,称好放入玻璃杯中在80C烘相中烘干2小时即可。)测量线路如图一。图一图一给出了确定结电容的线路示意图。使用一台超高频Q表来测量结电容,用可调直流电源来向SBD上加反向偏压,电压的大小由伏特计读出。电容C1是起隔直作用,使直流部分与Q标的交流信号分开。电感L,我们采用的是2.5mH(毫亨)蜂房式高频扼流圈,它主要是阻止高频信号到直流部分,使高频信号截止,使Q表产生的交流信号无损耗的加到SBD上。C2是滤波电容,使很小的交流漏电滤掉。从无线电谐振电路原理得到由电感、电容串联的电路中,谐振时电感电容器两端的电压很大。当Q表的高频振荡源给谐振回路供给一个频率为f的高频电压时,如回路中的电感固定,那么谐振电容必须满足:,或在实际测量中我们选定一个C0而改变Q表的高频振荡源的频率。在谐振时:如果我们在未加SBD之前测得一个谐振电容C0(即表上的主调电容器的电容值)之后,当SBD与C0并联,这时回路失谐。如果减小Q表的主调可变电容到C1,使Q表的指示重新达到谐振,这时SBD的电容C必定等于Q表的主调电容的第一值与第二值之差,即C=C0-C1。由此可见,只要测得C0及C1就可以得到SBD的电容值。我们对SBD电容的测量正是基于这一谐振的原理。实验中具体测量程序如下:1、 首先按Q表示用规则,熟悉Q表的使用方法。把Q表的主调可变电容放到500pf处,然后调节频率旋钮达到谐振点,固定此频率;2、 把预先做好SBD的外延片背面涂上一层水,然后在触针架的底片上,将触针放下,与金点对准并很好的接触。这时回路失谐。再旋转主调可变电容,重新达到谐振点。这时500pf与可变电容指示值之差,即为零偏压的SBD电容。记录下此数据。继续调节直流偏压旋钮,使电压有很小的改变,再调节主调可变电容旋钮使Q表再次达到谐振点,记录下电容值。以次往下做下去,得到不同偏压下的电容值。重要的是在低压区只能取小
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