文档介绍：PN结杂质浓度分布测量与等效模型姓名:XXX班级:XXX指导老师:侯清润,实验日期:【摘要】根据p-n结反向势垒电容与杂质浓度的关系,采用电容-电压法对p-n结杂质浓度分布进行测量。并使用锁相放大器实现电容-电压法中微小电信号的测量,得到了势垒电容与外加电压的曲线关系并测出p-n结的杂质浓度分布与内建电压。对实验结果进行分析,提出用电容-电阻并联等效模型代替PN结,并对该模型进行理论与实验的相符性分析。关键词:PN结杂质浓度锁相放大器势垒电容电容-电阻并联等效模型引言随着科学技术的日益发展,半导体器件作为一种常见的重要材料,在工业和生活中的应用越来越广泛。同时,为保证半导体元器件作为集成电路的基础能够给满足电学性能的要求,需要控制半导体中杂质的浓度,因而杂质浓度的测量也就成为了半导体材料的基本测量量之一。半导体扩散层有效杂质浓度的分布测量已有许多方法,如C-V测量法,扩展电阻测量法、电化学测量法、扫描电容显微技术、二次离子质谱法(SIMS)和卢瑟福背散射法(RBS)等。[1]另外也有利用阳极氧化去层结合四探针测量方块电阻的方法也可以得到扩散层有效杂质浓度的分布。[2]本实验采用电容-电压法测量PN结的杂质浓度,画出p-n结C-V曲线并测量n区杂质分布。同时,在实验中为精确测量小幅度的电压信号,需要使用锁相放大器,它可用于测量交流信号的幅度和位相,有极强的抑制干扰和噪声的能力,极高的灵敏度,可检测毫微伏量级的微弱信号。本实验的目的是,引导学生从基本物理定律出发,找到最终测量量与其他物理量之间的关系,间接实现测量目的。同时,在实验中,电压信号幅值很小,需要精确测量,要求学生掌握锁相放大器的工作原理与并利用锁相放大器测量微小信号。实验本次实验采用C-V测量法。即借助对电压V的测量,得出相应的电容值C,本实验中的待测电容为p-n结反向偏压下的势垒电容Cx。由低频信号发生器输出频率为1kHz的正弦交流信号,将此信号同时输入到测量盒和128A型锁相放大器的参考信号端。测量盒实现将电容值的测量转化为电压值的测量,并将此电压信号输入到128A型锁相放大器的输入信号通道。实验电路图如图-1所示。图-1实验电路图在此过程中,锁相放大器实现对微笑的交流信号源的测量,同时,利用数字电压表实时显示锁相放大器输出的直流信号的值。首先利用已知电容测出Cx与V之间的关系,理论表明,这个映射关系在一定的条件下是线性的。将这些已知电容(利用万用表测量其电容值)放置在p-n结的放置位置上,并用锁相放大器测出相应的微小电压V,利用至少五组数据拟合出电容C与电压值V之间的线性函数关系式。由拟合结果及测量的电压值,计算出不同偏压下PN结两端的电容值。另外,p-n结在正向偏压下导通,具有一定的电阻,交流信号下,p-n结的电阻特性会使得交流信号的相位发生变化。这样的相位变化与p-n结的电阻以及交流信号频率有关。本次实验中,还需要在零偏压下,对不同的p-n结进行测量,需要测出各自的电阻值R,并利用锁相放大器测出各p-n结的相位,与纯电容下的相位相减,得出相位差,研究相位差与p-n结电阻的关系。-电压曲线标定在实验中,利用图2所示电路图,用纯电容替换PN结进行测量。输入参考信号Ur=,在反向直流偏压Ur上再叠加一个微小的交流电压信号V(t)≈,其频率为fv≈,并用锁相放大器测量C0(C0≈4750pF)两端的电压Vi(t),理论表明,在PN结上加上一个直流反向偏压的基础上再加上一个微小的交流信号,C0两端的电压Vi可表示为:Vi(t)=V(t)rexp(jDf)…………(1)当C0>>Cx时,Vi(t)和V(t)满足:Vi(t)»V(t)Cx/C0(2)…………(2)图2纯电容代替PN结的测量电路由公式(2)可知,在满足C0>>CX的条件下,Vi~Cx具有线性关系。根据图2的实验电路,得到表1所示的实验数据:序号12345Cx(pF)(°)(mV)(V)(mV)(mV)(mV)-电压曲线标定对上述实验数据中的Cx-Vi(实验值)进行线性拟合,并将Cx-Vi(理论值)曲线与其作在同一张图上,得到图3,实验结果的拟合曲线为y=-,R2=-电压曲线由图3可知,实验结