半导体器件物理--实验指导书-2010.pdf

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1、实验指导书-PN结电容测量实验一PN结电容测量在直流或低频下，PN结有很好的整流特性。但当电压频率增高时，整流特性变坏，甚至无整流效应。这种现象是由PN结电容引起的。PN结电容是PN结的主要特性之一。它包括势垒电容和扩散电容。当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容CT。PN结外加偏压变化时，扩散区中电荷数量随着变化，由此而产生的电容称为扩散电容，用CD表示。势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj，低频

2、时其作用忽略不计，只在信号频率较高时才考虑结电容的作用。dQ电容与电压关系：C（1）dV当PN结加反向电压时，CT明显随U的变化而变化，利用这一特性制成各种变容二极管。同时利用PN结电容随外加电压的变化规律，可确定突变结轻掺杂一侧杂质浓度，或线形缓变结杂质浓度梯度，也可确定PN结接触电势差。一、实验目的测量PN结电容，了解势垒电容与电压关系。二、实验原理1、PN结电容随外加电压的变化规律PN结势垒电容的实质是，当PN结外加正向偏压增加(或反向偏压减小)时，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。因为空间电荷由不能自由移动的杂质离子组成

3、，所以空间电荷的减少是由于n区的电子和P区的空穴过来中和了势垒区中电离施、受主离子，即将一部分电子和空穴“存入”势垒区。反之，当PN结外加正向偏压减少(或反自偏压加大)时，势垒区变宽，空间电荷数量增加。这就意味着有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。这种载流子在空间电荷区中的“存入”和“取出”，如同一个平行板电容器的充与放电。不同的是，PN结空间电荷区宽度随外加电压变化，见图1。1实验指导书-PN结电容测量图1PN结势垒电容由半导休物理可知，对于单边突变结，若PN结面积为A，则势垒电容1CAq[N/2(VV)]2(2)T0

4、rBD式中NPN结轻掺杂一侧杂质浓度B半导体介电常数r真空介电常数0对于线性缓变结有1223CAqa[/12(VV)](3)Tj0rD式中a杂质浓度梯度j从式(2)和(3)看出，突变结势垒电容和结的面积及轻掺杂一侧杂质浓度有关，线性缓变结势垒电容与结面积及杂质浓度梯度有关。为了减小势垒电容，可以减小结面积和轻掺杂一侧杂质浓度或杂质浓度梯度。另外，从公式还可看出，势垒11电容正比于()VV2或()VV3。这说明反向偏压越大，则势垒电容越小。DD图2反偏PN结的C-V曲线2实验指导书-PN结电容测量

5、PN结扩散电容指的是PN结外加正向偏压时，电子和空穴在P区和N区中形成非平衡载流子的积累。当正向偏压增加时，在扩散区中积累的非平衡放流子也增加，即N区扩散区内积累的非平衡空穴和与之保持电中性的电子以及P区扩散区中积累的非平衡电子和与之保持电中性的空穴均增加，导致扩散区内电荷数量随外加电压变化，形成扩散电容，扩散电容随正向偏压按指数关系增长。在反向偏压或小的正向偏压作用下，以势垒电容为主；在大的正向偏压作用下，以扩散电容为主。本实验主要测电容在反向偏压作用下的电容变化值，故以势垒电容为主。2、由PN结势垒电容测量结附近的杂质浓度和杂

6、质浓度梯度对于单边突变结，将式(2)两边平方取倒数，得221/C2(VV)/AqN(4)TD0rB上式对V求微分22d(1/C)/dV2/AqN(5)T0rB2用实验作出1/CV~的关系，为一条直线，式(5)为直线的斜率。因此，可由斜T率求得轻掺杂一侧的杂质浓度NB，直线的截距可确定PN结接触电势差VD。对于缓变结，将式(3)两边平方取倒数得33221/C12(VV)/Aqa(6)TD0rj3由实验得出1/CV~关系曲线，为一条直线。从直线斜率可得杂质浓度梯度a，Tj直线的截距可确定PN结接触电势差VD。三、

7、实验仪器本实验用到的仪器有：数字万用表、C-V测试系统、微机。四、实验内容1、利用C-V测试仪，在高频下，测试PN结反向特性；2、得到PN结反向下，电容与电压的关系；3、测量同一类型的不同的晶体管C-V曲线；4、记录并比较不同的晶体管C-V曲线。3实验指导书-PN结电容测量五、实验步骤1、将PN二极管两端与测试仪器相接；打开“ICS”软件；2、点击按扭，在“Sub-Type”下选择“KIKPC488.2”，点“OK”；3、在下，选择“KI82”，点“Connect”,然后点击“config…”,点击“Verify”,显示系统已正确

8、配置，然后依次点击“OK”即可；4、下，点击，给器件取一个名字；然后打开，选择器件，这里我们选择二极管；用，对二极管两端进行定义起输入输出，点击“SourceUnits”中的“Done”；5、单击“OUT”，弹出一对话框，对“Stimulus”选“