實(shí)驗(yàn)六電容-電壓法測(cè)量p+n結(jié)的平均雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)分布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)：綜合實(shí)驗(yàn)所涉及課程：半導(dǎo)體物理，微電子器件物理計(jì)劃學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握電容-電壓特性測(cè)試儀的使用2.通過測(cè)量p+n二極管電容與反向電壓的關(guān)系，測(cè)量硅p+/n外延層的雜質(zhì)濃度隨深度的分布。二、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于一個(gè)P+N的單邊突變結(jié)。P區(qū)一邊空間電荷區(qū)很窄，是因?yàn)閾诫s濃度很高?？臻g電荷的寬度幾乎全在n型半導(dǎo)體一邊，其中正的空間電荷由電離施主構(gòu)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(dǎo)體的雜質(zhì)濃度。平衡時(shí)耗盡層的寬度為：（1）（1）當(dāng)外加偏壓時(shí)，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(gè)電容叫做二極管的勢(shì)壘電容。耗盡層的兩個(gè)界面可以看作平行板電容器的兩個(gè)面板，其電容值可由下述關(guān)系表示：（4）（4）勢(shì)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(jié)二極管和其他器件的C-V數(shù)據(jù)來確定器件的參數(shù)，特別是結(jié)輕摻雜一側(cè)的平均雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)分布。C-V測(cè)量在器件表征和測(cè)試中已經(jīng)成為常規(guī)的手段?，F(xiàn)在分析C-V數(shù)據(jù)，假設(shè)測(cè)試器件是一個(gè)非對(duì)稱摻雜的突變結(jié)。對(duì)于假定的結(jié)分布，將（2）代入（4）式兩邊求倒數(shù)（5）（5）式表明1/CJ2與VA的關(guān)系應(yīng)該是一條直線，斜率的倒數(shù)正比于NB，而且外推到1/CJ2=0處的截距等于Vbi。因此假設(shè)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(dǎo)出NB。顯然1/CJ2與VA的直線圖也驗(yàn)證了可以用突變結(jié)來模擬該二極管。顯然，可以將前面的圖形方法擴(kuò)展到線性緩變和其他雜質(zhì)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(zhì)分布的性質(zhì)，就可以利用C-V數(shù)據(jù)直接推導(dǎo)出結(jié)輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度隨位置的變化關(guān)系。省略推導(dǎo)細(xì)節(jié)，只需要記住雜質(zhì)濃度隨位置的變化關(guān)系為（6）（7）其中x是結(jié)輕摻雜一側(cè)離開冶金結(jié)的距離。注意，可將（5）式突變結(jié)關(guān)系式代入（6）式，得到的結(jié)果將與位置無關(guān)，這與預(yù)期的結(jié)果相一致。此外，由于需要用到C-V數(shù)據(jù)的斜率和導(dǎo)數(shù)，所以結(jié)果容易受到噪聲的影響。盡管如此，利用C-V確定雜質(zhì)分布的方法實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單，通常能得出有用的結(jié)果，因而得到了廣泛的應(yīng)用.三、電容電壓特性測(cè)試儀的使用3.1結(jié)構(gòu)特征描述：本儀器是臺(tái)式的，裝有減震器的機(jī)箱以便安放于桌上。堅(jiān)固的注塑外殼經(jīng)久耐用，采用貼塑面板新工藝，使其美觀高雅。儀器內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，拆裝方便。在面板左上方是電容顯示窗，左下方是開關(guān)和測(cè)試端，后板上裝有保險(xiǎn)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(biāo)號(hào)說明K電源開關(guān)。按下為開電源，按起為關(guān)電源K1偏置電壓加載按鈕。剛開機(jī)時(shí)“去偏壓”指示燈亮，表示CV-2000夾具上并無偏置電壓，按下K1時(shí)“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(cè)量鍵。剛開機(jī)時(shí)即處于測(cè)量狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行開路校準(zhǔn)及短路校準(zhǔn)后需按下K2鍵，1秒后可見測(cè)量現(xiàn)實(shí)燈亮即可測(cè)量K3短路校準(zhǔn)按鈕。按下K3后L1上顯示一個(gè)5同時(shí)校準(zhǔn)及通過指示燈亮，然后在夾具插入短路塊，接著按下K5一會(huì)，直到通過指示燈重新亮，拿出短路塊，則短路校準(zhǔn)完成K4開關(guān)校準(zhǔn)按鈕。按下后L1上顯示一個(gè)0，同時(shí)校準(zhǔn)及通過指示燈亮，按下K5一會(huì)，直到通過燈亮，表示開路校準(zhǔn)完成K5校準(zhǔn)觸發(fā)按鈕。K5結(jié)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(diào)是多圈電位器。W1調(diào)節(jié)范圍大，作為W2輔助調(diào)節(jié)，當(dāng)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(diào)是多圈電位器。W2調(diào)節(jié)幅度0-19V，如元件偏壓不高，使用W2即可（此時(shí)W1左旋到底），如元件偏壓較高，需結(jié)合W1使用（見使用說明）P測(cè)試端接口測(cè)試端L1測(cè)試端L1L2L3KW1K1W2K2K3K4K5四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟4.1開機(jī)儀器安裝連接好后，把電源開關(guān)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(cè)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(cè)件被測(cè)件引線應(yīng)相當(dāng)清潔且筆直，將它插入CV-2000測(cè)試座具即可。若測(cè)試件引線臟，必須先擦干凈，以保證接觸良好。4.3零校準(zhǔn)由于溫度變化或改變夾具，都會(huì)引起寄生電感變化，因此，在每天開機(jī)30分鐘后，改變夾具或溫度變化大于3℃時(shí)，都要完成零校準(zhǔn)。分兩步完成：開路零校準(zhǔn)：開機(jī)在測(cè)量功能檢查之后，應(yīng)按[開路校準(zhǔn)]按鈕。在電容顯示屏內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)零，并且通過燈亮，讓人體遠(yuǎn)離儀器。按[校準(zhǔn)觸發(fā)]鍵并等一會(huì)，直到通過燈重新亮，開路校準(zhǔn)完成。短路零校準(zhǔn)：把隨機(jī)附帶的短路銅片插入測(cè)試槽按[短路校準(zhǔn)]按鈕，電容顯示屏內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)5，并且通過燈亮，按[校準(zhǔn)觸發(fā)]鍵等一會(huì)直到通過燈重新亮，短路零校準(zhǔn)完成。完成后請(qǐng)將短路銅片拿開。4.4測(cè)量在零校準(zhǔn)后按測(cè)試鍵，當(dāng)測(cè)試指示燈亮即進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。4.5偏置電壓下測(cè)試電容A、完成上面四個(gè)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(cè)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(cè)試座CV-2000測(cè)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(diào)電位器“W1”及微調(diào)電位器“W2”的使用：W2的調(diào)節(jié)范圍是0-V0（V0在20V以下，不同機(jī)器有些許差別），可精確調(diào)節(jié)每0.1V。當(dāng)測(cè)試元件反向耐壓在V0以下，可將W1左旋至盡，單獨(dú)調(diào)節(jié)W2即可。當(dāng)測(cè)試元件反向耐壓在100V以下，則需W1、W2配合使用，請(qǐng)按下一步驟進(jìn)行操作：首先測(cè)量20V以下電容值，將W1左旋至盡，單獨(dú)調(diào)節(jié)W2同時(shí)記錄電容值，將W2左旋到頭時(shí)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(diào)節(jié)W2，并記錄電容值，當(dāng)W2右旋至盡時(shí)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(diào)節(jié)W2，重復(fù)步驟即可得到100V以內(nèi)的偏置電壓的電容值。4.6為保護(hù)下次測(cè)量的器件關(guān)機(jī)前請(qǐng)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(guān)和測(cè)試端，后板上裝有保險(xiǎn)座，三線插座和接地端子保