单边pn结-北航

1、单边 P-N 结杂质分布的锁相检测 物理科学与核能工程学院咸心历史背景:半导体材料是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料,这类材料具有独特的功 能特性。以硅、锗、砷化镓、氮化镓等为代表的半导体材料已经广泛应用于电子元件、 高密度信息存储、光电器件等领域。随着人们对物质世界认识的逐步深入, 一批具有半 导体特性的有机功能材料被开发出来了,并且正尝试应用于传统半导体材料的领域。 在 1874年,人们就开始了半导体器件的研究。然而,直到 1947年朗讯 (Lucent科技公 司所属贝尔实验室 (前身为 AT&T贝尔实验室 的一个研究小组发明了双极晶体管后 p , 41, 半导体器件物理的研

2、究才有了根本性的突破, 从此拉开了人类社会步入电子时代的 序幕。在发明晶体管之后,随着硅平面工艺的进步和集成电路的发明,从小规模、 中规 模集成电路到大规模、 超大规模集成电路不断发展, 出现了今天这样的以微电子技术为 基础的电子信息技术与产业, 所以晶体管及其相关的半导体器件成了当今全球市场份额 最大的电子工业基础。摘要:随着科技和经济的发展, 半导体器件在我们生活中的应用越来越广泛, 而在半 导体器件中有机半导体应用最为广泛。 即将探索和解说有机半导体器件的电学性 能,揭开其神秘的面纱。首先主要从半导体的基本性质和 PN 结的机理与特性、 双极型晶体管(三极管和 MOS 场效应管的电学参数

3、导入。半导体器件的设计与制造的核心问题是如何控制半导体内部的杂质分布, 以满足实际应用 所要求的器件参数。 因此, 杂质分布的测量是半导体材料及器件的基本测量之一。 本实验利 用 7265型锁相放大器、采用 C-V 法测量 p-n 结的杂质分布。锁相放大器是检测微弱信号的 重要仪器。关键词:势垒电势势垒电容 C V 测量反向偏压锁相放大器信号相位差正文:一、 引言半导体器件设计与制造的核心问题是如何控制半导体内部的杂质分布,以满足实际应用所要求的器件参数。因此,杂质分布的测量是半导体材料及器件的基本测量之一。 利用四探针或霍耳效应,逐次去层测量薄层霍尔电压,可以获得杂质分布以及迁移率随 杂质浓

4、度的变化;但是,逐次去层比较繁琐,而且具有破坏性。通过测量不同直流偏压 下 p-n 结势垒电容的方法 (CV 法 ,可以既不破坏器件本身,又可以比较迅速地求得杂 质分布。本实验利用 7265 型锁相放大器、采用 C-V 法测量 p-n 结的杂质分布。锁相放大器是检测微弱信号的重要仪器。检测微弱信号的核心问题是对噪声的处理。 最简单、最常用的办法是采用选频放大技术,使放大器的中心频率 f 。与待测信号频率相同,从而对噪声进行抑制。但此法存在中心频率不稳、带宽不能太窄及对待测信号缺 乏跟踪能力等缺点。锁相放大技术利用对待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对 信号的窄带化处理,能有效地抑制噪声,实

5、现对信号的检测和跟踪。目前,锁相放大技 术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。二 、实验原理1、 pn 结电容PN 结在交流条件下呈现出电容效应,限制了 PN 结的高频应用。 1 pn 结势垒电容定性分析随着外界电压的变化,出现了载流子电荷在势垒区中的存入和取出,此现象相当于一个电 容的充放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容,记为 CT 。势垒电容大小与结上所 加直流偏压有关,是一个可变电容。T dQ C dV=突变 PN 结势垒区中电荷和电场的分布突变结指 P 区和 N 区内杂质分布均匀 , 在结处发生突变。 在耗尽层近似下可得到由下式表示的空间电荷区电荷密度分布。( 0A

6、 p D nqN x x x qN x x -<<=<< 突变结电场分布:00( ( ( A P r D n r qN X X E x qN X X -+=-势垒电容1022 ( (r A D d D A DN N x V V q N N +=-势 垒 宽 度120 (.2(A D D A DN N Q V V q N N =-+总 电 荷 为势垒电容 CT 为:1002(2(A D T D A DdqN N dQ C dVV V N N x =-+上式表明, 势垒区电容相当于一个平板电容器。 该平板电容器极板之间的距离就是势垒区宽 度。反偏情况下势垒电容的一般形式将外

7、加电压为 0时的势垒电容称为零偏电容记为 CT0, 则突变 PN 结的零偏势垒电容为10020102120(, V 02( (2 (1A DT D A DdA DDA DT T DqN N dQ C dVV V N N x qN N V N N VC C V -=-+=+=-其 中 则 有(3势垒电容的一般形式线性缓变结( ( D A j x q N N Q x =-=2210312(j rT D q C V V =-势垒电容的一般形式0(1MT T DV C C V -=-如果 p-n 结的一边掺杂浓度远大于另一边的掺杂浓度,就形成单边突变 p-n 结 , 加在 p-n 结上的电压几乎都降在

8、耗尽层的轻掺杂一边。单位面积 p-n 结势垒电容 (C/A和偏压 (VD+VR的关系仅与轻掺杂的浓度 (ND有关,可由下式表示: A=C其中, VD 为无偏压时 p-n 结的接触电势差(即为单边突变异质结的自建势 。 。 下面将着重讨论 p-n 结势垒电容的测量及测量仪器的原理。1. 单边突变 p-n 结杂质分布的 CV 测量p-n 结势垒电容是一个随直流偏压变化的微分电容。 因此, 测量势垒电容时, 我们在 p-n 结 上要偏置一定的反向直流偏压 VR ,同时,在 VR 上再叠加一个微小的交变电压信号 v( t ,并在交变电压信号 v( t 与待测的 p-n 结电容 Cx 之间串接一个已知电

9、容 C0, 当 C0>>Cx时,在 C0 两端的电压为:( 1( 11x i xC v t v v t j C C j C j C =+(2上式表明电容 C0 上的交变电压 vi 与待测的 p-n 结电容 Cx 成正比,比例系数 v( t /C0等于 vi/Cx,它表示单位待测电容转换为电压信号的灵敏度。能否通过增大交变电压 v( t 或降低 C0 来提高这个灵敏度呢?我们知道,公式 1-(1成立的前提是 C0>>Cx,此外, 由于 p-n 结是一个微分电容,交变电压 v( t 必须比 p-n 结上的压降 V D + VR 要小得多, 否则将给微分电容的测量带来一定的误

10、差。因此,我们只有选取适当的交流放大器。经 过检波后的输出幅度如果与输入电平成正比,那么,把检波后的直流信号接到记录仪的 Y 轴输入端, p-n 结上的反向偏压接到记录仪的 X 轴输入端,通过调节反向偏压的大小, 就可以测得 p-n 结的 C V 曲线。p-n 结 C V 测量的方框图如下图 1-a 所示: 三.实验仪器7265 型锁相放大器, PU- II型微机 X-Y 记录仪, EE164 系列函数信号发生器,可跟踪直流稳定电源,示波器。四.实验数据处理(1原始数据表 (表一 由公式:0xi t t C v v C v v =( i x o t p p v C C v -=(其中 5000

11、o C pF = 由表 2做 Cx-Vr 曲线图由图可看出 Cx-Vr 由上公式得 222( D r x o D V V C q N A-+=对其做 一元线性回归 ,令 y bx a =+(2xy C -、 rx V 22x y xy b x-=-a =- 因为 2222D o Do DV a A q N b A q N =22o D D bA q N a V b =(其 中 191.610q c -=、 11.8=、 148.85410/o F cm -=、 220.05A cm 于是得下表, 于是, 得到样品 ( 轻掺杂浓度 1438.2410D N cm-、自建势2.9D V V=(30

12、KHz-200mV 相位差随 r V 变化,表 6 111ti oxov v j C j C j C =+cos( i x tx ov C v C C =+2cos ( 0(ox o C C C '=>+由表 2知 随着 r V 增大 x C 逐渐减小, cos( 逐渐增大 减小。表 7 由上表(表 7可以看出, i v 基本不随 F 的改变而改变。 即, x C 的大小与频率无关。五、思考题1、在本实验输出曲线中，X 轴和 Y 轴各代表什么信号？ 答：X 轴：反向直流偏压 Vr ； Y 轴： Co 两端交流电压有效值 vi 。 2、是说明各个二极管的 j : Vr 关系为什么不一样？什么样的 p-n 单边突变结二极管可用本 方法测量杂质分布？ 答： vi = vt 1 1 + jwCx jwCo × 1 jwCo Þ cos(Dj = vi Cx Co = > 0 由表 Þ cos¢(Dj = vt Cx + C