实验六 电容电压法测量p+n结的平均杂质浓度和杂质分布.docx

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实验六电容电压法测量p+n结的平均杂质浓度和杂质分布

实验六电容-电压法测量p+n结的平均杂质浓度和杂质分布

一、实验目的 

1.掌握电容-电压特性测试仪的使用 

2.通过测量p+n二极管电容与反向电压的关系，测量硅p+/n

外延层的杂质浓度随深度的分布。

二、实验原理 

对于一个P+N的单边突变结。

P区一边空间电荷区很窄，是因为掺杂浓度很高。

空间电荷的宽度几乎全在n型半导体一边，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，如图1所示。

耗尽层的宽度取决于半导体的杂质浓度。

平衡时耗尽层的宽度为：

（1）

当外加偏压时，耗尽层的宽度随外加电压的变化二变化：

（2）

（3）

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，这个电容叫做二极管的势垒电容。

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：

（4）

势垒电容与低浓度一边的掺杂浓度成正比；与（Vbi-V）1/2成反比。

通常用pn结二极管和其他器件的C-V数据来确定器件的参数，特别是结轻掺杂一侧的平均杂质浓度和杂质分布。

C-V测量在器件表征和测试中已经成为常规的手段。

现在分析C-V数据，假设测试器件是一个非对称掺杂的突变结。

对于假定的结分布，将

（2）代入（4）式两边求倒数 

         （5） 

（5）式表明1/CJ2与VA的关系应该是一条直线，斜率的倒数正比于NB，而且外推到1/CJ2=0处的截距等于Vbi。

因此假设二极管的面积A是已知的，利用该图的斜率可以很容易地推导出NB。

显然1/CJ2与VA的直线图也验证了可以用突变结来模拟该二极管。

显然，可以将前面的图形方法扩展到线性缓变和其他杂质分布上，但人们却很少这么做。

正如该方法所显示出的，事先无需知道杂质分布的性质，就可以利用C-V数据直接推导出结轻掺杂一侧的杂质浓度随位置的变化关系。

省略推导细节，只需要记住杂质浓度随位置的变化关系为 

           （6） 

                    （7） 

其中x是结轻掺杂一侧离开冶金结的距离。

注意，可将（5）式突变结关系式代入（6）式，得到的结果将与位置无关，这与预期的结果相一致。

此外，由于需要用到C-V数据的斜率和导数，所以结果容易受到噪声的影响。

尽管如此，利用C-V确定杂质分布的方法实现起来相对简单，通常能得出有用的结果，因而得到了广泛的应用.

三、实验内容及步骤 

4.1开机 

仪器安装连接好后，把电源开关按到ON位置，电源接通，仪器执行自检程序。

如果没有故障，测试指示灯亮。

偏置电压指示状态为（电压去），虽然偏置电压有显示，但该电压尚未加到夹具上去。

4.2连接被测件 

被测件引线应相当清洁且笔直，将它插入CV-2000测试座具即可。

若测试件引线脏，必须先擦干净，以保证接触良好。

4.3零校准 

由于温度变化或改变夹具，都会引起寄生电感变化，因此，在每天开机30分钟后，改变夹具或温度变化大于3℃时，都要完成零校准。

分两步完成：

开路零校准：

1.开机

2.在测量功能检查之后，应按[开路校准]按钮。

在电容显示屏内出现一个零，并且通过灯亮，让人体远离仪器。

按[校准触发]键并等一会，直到通过灯重新亮，开路校准完成。

短路零校准：

把随机附带的短路铜片插入测试槽按[短路校准]按钮，电容显示屏内出现一个5，并且通过灯亮，按[校准触发]键等一会直到通过灯重新亮，短路零校准完成。

完成后请将短路铜片拿开。

4.4测量 

在零校准后按测试键，当测试指示灯亮即进入测试状态。

4.5偏置电压下测试电容 

A、完成上面四个步骤后，把元件插入CV-2000夹具，夹具的插槽电压极性如下图所示，左边插槽为（+）极，右边插槽为（-）极。

如测试三极管电极、基板反向电压特性，如系PNP型三极管基极插入（-）插槽，集电极插入（+）插槽，然后加不同偏压即可得出不同偏压下的电容值。

如二极管，则二极管的“+”极插入（-）插槽，“-”极插入（+）插槽，即可得出不同偏压下的电容值。

B、粗调电位器“W1”及微调电位器“W2”的使用：

W2的调节范围是0-V0（V0在20V以下，不同机器有些许差别），可精确调节每0.1V。

当测试元件反向耐压在V0以下，可将W1左旋至尽，单独调节W2即可。

当测试元件反向耐压在100V以下，则需W1、W2配合使用，请按下一步骤进行操作：

1.首先测量20V以下电容值，将W1左旋至尽，单独调节W2同时记录电容值，将W2左旋到头时记下电压V1。

2.完成后再将W2左旋至尽，然后慢慢左旋W1使偏置电压显示为V1，然后慢慢调节W2，并记录电容值，当W2右旋至尽时记下电压V2。

3.完成后再将W2左旋至尽，然后右旋W1使偏置电压显示为V2，然后慢慢调节W2，重复步骤即可得到100V以内的偏置电压的电容值。

4.6 为保护下次测量的器件关机前请分别将W1、W2左旋至尽，使偏置电压显示为0V。

在面板左上方是电容值显示窗，左下方是电源开关和测试端，后板上装有保险座，三线插座和接地端子保证安全可靠。

四、数据处理 

1. 实验数据记录

C

V

C

V

 13.58pF

 0V

 4.77pF

 7.5V

 12.98pF

 0.1V

4.37pf

 10V

 11.99pF

 0.2V

4.06pF

 12.5V

 11.25Pf

 0.3V

 3.83pF

 15V

 10.62pF

 0.4V

 3.65pF

 17.5V

 10.19pF

 0.5V

 3.50pF

 20V

 6.70pF

 2.5V

 2.80pF

 40V

 5.42pF

 5.0V

 2.22pF

 80V

2.用电脑画图软件画出

曲线 

图1

曲线

3.根据曲线的斜率求杂质平均浓度 

4.根据公式公式（6）和（7）确定杂质浓度的分布 

5.数据处理

图2C-V曲线

，

A取mm²，数据处理示例：

图3杂质分布

五、实验结果

由图1可得，

pb结内建电压Vbi=5.4225*10^21V

斜率K=1.8839*10^21

根据公式（5），杂质平均浓度NB=6.35379E+19（m-3）

杂质分布如图3所示。

所以在本次实验红，实验数据基本符合预测的。

但由于外加偏压测量数据没有取梯度，导致杂质浓度分布误差较大。

为了保证dv的精确度，外加偏压数据应该取梯度。

并且梯度越小，数据越精确，误差越小。