C_V法测量pn结杂质浓度分布的基本原理及应用
ECV测试原理及相关分析解读
第二部分
ECV测试原理
ECV测试原理
• 半导体电化学腐蚀是根据电化学中阳极氧化及电解原理来实现的。固体物质 在液体中消溶有两种方法：一种是湿法腐蚀，即在不加外电场的情况下，利 用固体和液体之间的化学反应，使固体逐渐腐蚀；另一种是电化学腐蚀，即 将固体置于电解液中，外加直流电压，电压正极接需要被腐蚀的固体物质， 电压负极接一不被溶解且导电性良好的电极，通电后，阳极物质在电场和电 解液的作用下逐渐被氧化、腐蚀。
ECV测试原理及相关分析
工艺部 王永伟
内 容 简 介
ECV背景介绍
ECV测试原理
ECV测试常见问题及分析
ECV测试曲线的理解
第一部分
ECV背景介绍
ECV背景介绍
• 对于半导体器件的设计和制造而言，器件中载流子浓度、掺杂厚度 以及杂质分布都是必须严格控制的参数，就要求对载流子的浓度及 分布有更精确可靠的测量。目前，业界已有几种表征杂质浓度分布 的方法，如扩展电阻法、电容-电压法(C-V )、二次离子质谱 (SIMS)、微分霍耳法、电化学电容-电压法(ECV) 等。这些技术各有 其自身的优缺点。传统的C-V法尽管实验方法简单，有较好的分辨率 及精确性，但它受限于反偏电压下的击穿，不易表征高掺杂样品和 具有一定深度分布的样品以及pn结；扩展电阻法可以测量pn结且不 受深度的限制，但其要求精细的样品准备、探针选择以及数据提取 与校正，杂质浓度分布的表征依赖于校正因子和迁移率的选择，且 由于磨角度数和探针半径的限制，用它表征几十纳米结深的超浅结 非常困难；微分霍耳法通过反复测试剥层前后薄层电阻和面霍耳系 数的变化可以同时测量出载
ECV背景介绍
• 流子浓度及迁移率的深度分布，也可以测量pn结，但精确控制超 薄层的剥离和精确测量霍耳效应在技术上是巨大的挑战，尤其对 于几十纳米结深的超浅结；SMIS法有较好的分辨率及精确度，也 可以表征pn结，但它需要复杂昂贵的设备，同时所测出的杂质浓 度是原子浓度而不是电激活杂质浓度；ECV方法利用合适的电解液 既可作为肖特基接触的电极测量C-V 特性，又可进行电化学腐蚀 ，因此可以层层剥离测量电激活杂质的浓度分布，剖面深度不受 反向击穿的限制，并可测量pn结，目前它在Ⅲ-V族化合物半导体 中已有较多的应用，但ECV法对硅尤其是几十纳米结深和 1020 / cm3 以上掺杂浓度的超浅结的表征研究较少。
近代物理实验教案09半导体物理实验
9-1 硅的霍耳系数及电阻率的测量（教案）实验的目的要求：1．通过在不同温度条件下对高阻P型Si的霍尔系数和电阻率的测量，了解半导体内存在本征导电和杂质导电、晶格散射和杂质散射等物理过程。
2．通过实验测量，由霍尔系数的符号确定载流子的类型，并且确定禁带宽度Eg、净杂质N、载流子浓度p和n及迁移率μ等基本参数。
浓度A教学内容：1．让学生熟悉永磁魔环的磁场分布，学会正确地变换永磁魔环的磁场方向。
2．了解霍尔样品的制备和安装、样品架及其在杜瓦瓶和永磁魔环中的安装要求：（1）样品应处于永磁魔环中央；（2）确保磁场方向分别与样品表面平行和垂直。
3．熟悉霍耳效应测试设备，掌握正确测定P型Si霍尔系数和电阻率的方法。
4．测量室温到165 ℃温度范围内样品的电阻率和霍尔系数。
5．总结分析得到的结果，看存在那些规律，并对此作出解释。
实验过程中可能涉及的问题：（有的可用于检查予习的情况，有的可放在实验室说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回答的问题，不同的学生可有不同的要求）1．学习了解P型硅电阻率和霍尔系数随温度的变化关系，以及产生这种变化的原因。
N、载流子2．学习掌握通过霍尔系数和电阻率测量来确定材料的迁移率μ、净杂质浓度A 浓度p和n以及禁带宽度Eg等基本参数。
3．在BWH−1型霍尔效应测试仪上待测电压VⅠ、VⅡ和VⅢ的含义是什么？实验测得电势差VⅢ（0，+I）和VⅢ（0，− I）是如何形成的？如何利用测得的VⅠ和−VⅠ、VⅡ和−VⅡ、VⅢ（0，+I）和VⅢ（+H，+I）、VⅢ（0，− I）和VⅢ（−H，− I）计算电阻率和霍尔系数？4．在本实验中那些因素影响霍尔系数的正确测量？怎样克服这些因素的影响？5．利用永磁魔环代替传统电磁体进行霍尔系数测量的优点是什么？在测量方法上有什么不同？6．在实验测量过程中，霍尔效应测试仪上样品温度为什么与温度控制仪显示的温度不一致？如何调节加热电压使样品温度尽快达到平衡？7．在变温测量过程中随着样品温度逐渐升高，霍尔电压的极性发生变化，试问产生这种极性变化的原因是什么？8．根据实验测量结果，逐一计算不同温度条件下的电阻率ρ和霍尔系数H R 。
实验六电容-电压法测量pn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。
ECV测试原理及相关分析
第二部分
ECV测试原理
ECV测试原理
• 半导体电化学腐蚀是根据电化学中阳极氧化及电解原理来实现的。固体物质 在液体中消溶有两种方法：一种是湿法腐蚀，即在不加外电场的情况下，利 用固体和液体之间的化学反应，使固体逐渐腐蚀；另一种是电化学腐蚀，即 将固体置于电解液中，外加直流电压，电压正极接需要被腐蚀的固体物质， 电压负极接一不被溶解且导电性良好的电极，通电后，阳极物质在电场和电 解液的作用下逐渐被氧化、腐蚀。
21 3 22 3 峰值在 10 / cm ~ 10 / cm 之间
22 3 峰值大于 10 / cm
ECV测试常见问题及分析
• 4.测试过程中可能会出现Contact Resistance显示红色现象 （对N-type正常显示为绿色）
当测试材料的接触电阻小于2000 Ohms时，Contact Resistance则正常 显示为绿色，且两绿色线条显示值越小越接近越好。就目前产线的方块 控制，绿色线条显示值小于100 Ohms 较好，如果显示值或二值差异过 大，可能会使测试结果不准确，此时需要数次点击Blast和Re-Measure 直至数值减小并使二者接近； 当测试材料接触电阻大于2000 Ohms时，Contact Resistance则异常显 示为红色。原因是由于测试材料欧姆接触过大，实际测试中出现这种情 况一般是由于PN面反置所致，只要取出并正确放置PN面重新测试即可。
x x j , N ( x) Na x x j , N ( x) Nd
突变结一般通过合金法制造，需要有较大的温度梯度 才能实现。
图a 突变结的杂质分布
ECV测试曲线的理解
ECV测试原理
载流子的电荷密度为：
r 是半导体材料的介电常数，e 是电子电量， 式中， 0 是真空介电常数， A 是电解液/半导体接触的面积 ，dC / dV 是C-V 曲线在耗尽层边缘的斜率。
pn结杂质浓度分布的测量
pn结杂质浓度分布的测量摘要：将锁相放大器用于电容—电压法测量P+N结杂质浓度，利用PN结的电容C T与反向偏压V R之间的关系表达式通过作图法和相关计算得出某一PN结的接触电势差V D以及浅杂质端的杂质浓度N D，研究了具有不同正电阻的PN结在零偏压下位相角的变化，表明了在正向电阻较小的情况下，位相角变化就越大，而随着正向电阻的增大，位相角变化就变得不那么明显。
另外，本文还探索了标准电容和PN结电容与位相角之间的关系，得出了对于标准电容，其位相角大小几乎不随电容值的变化而变化，而对于不同偏压下PN 的电容，在零偏压下，PN结电容最大，势垒宽度最小，电阻也最小，这时候位相角变化最快；而随着偏压的增大，PN结电容减小，势垒宽度增大，电阻也相应地增大，这时候位相角变化就不那么明显了。
关键词：锁相放大器；PN结；反向偏压；位相角；电容值1.引言在半导体器件的设计和制造过程中，如何控制半导体内部的杂质浓度分布，从而达到对器件电学性能的要求，是半导体技术中的一个重要问题，因此对杂质浓度分布的测量，也就成为半导体材料和器件的基本测量之一。
而电容—电压法由于具有独特的优点，比如简单快速，又不破坏样品，使得其成为测量P—N 结杂质浓度分布中较常用的方法之一，但是应该指出，这种方法仅能反映P—N结轻掺杂一边的杂质分布。
另外一方面，锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA）是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。
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。
自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。
将锁相放大器用于电容—电压法测量PN结杂质浓度分布中是其应用的一个很好实例，可以比较好地提高精度，而且也简单可行。
P-N结是由P型和N型半导体“接触”形成的，交界之处的杂质浓度可以是突变的或是缓慢的，在结的界面处形成势垒区，也称空间电荷区。
电化学C-V法测量AlGaAs材料载流子浓度分布
97AlGaAs材料是红黄光LED、GaAs太阳能电池、VCSEL器件中很常用的晶体材料。
AlGaAs的载流子浓度对于器件性能极其重要，因此我们必须寻找到一种有效的手段来测量载流子的浓度及其深度分布。
行业内有一些测量掺杂浓度的手段，例如Hall系统测量、二次离子质谱法、电化学C-V测量方法等。
霍尔系统测量能够得到半导体薄膜整体的掺杂浓度，但不能测试载流子的纵向分析结果。
二次离子质谱法 (SIMS)测试可以得到各种元素的纵向浓度分布，但是其价格昂贵，不适合用于日常监控。
电化学C-V测量使用边腐蚀边测量的方式，能够得到载流子相对厚度的关系曲线。
一、电化学C-V测量原理及方法电化学C-V测量的原理是利用电解液和半导体材料相接触，进而产生肖特基势垒，对p型半导体施加正向偏压，n型半导体施加反向偏压及光照。
然后利用阳极氧化反应原理，按照一定的腐蚀速率对样品层进行蚀刻，通过电化学C-V分布仪的自控模块装置对样品循环进行腐蚀-测量的过程，就能够获得反映载流子浓度与生长厚度间的关系曲线。
反偏压形成在耗尽层时，在耗尽层尺寸附近中的载流子浓度和电容之间存在一定的关系。
可以通过以下公式计算载流子浓度：(1)由于载流子浓度是在耗尽层的边缘测量的，因此载流子浓度相对的厚度是等于腐蚀厚度加上耗尽层深度。
(2)由于腐蚀的过程是依赖于电荷的流动，因此在理想情况下，腐蚀速率与工作电极和反向电极之间的电流是成比例关系的。
可以根据法拉第定律可得出腐蚀深度Wr：(3)根据平板电容公式，可以得到耗尽层的深度：(4)半导体材料的溶解必须依靠空穴的存在。
对于p型半导体材料来说，空穴是多子，很容易实现溶解。
但是对于n型材电化学C-V法测量AlGaAs材料载流子浓度分布颜 慧 扬州乾照光电有限公司 【摘 要】电化学C-V测量是半导体行业常用的一种测试方法，通过循环腐蚀-测量的过程能够得到载流子的纵向分布曲线。
使用电化学C-V测量对AlGaAs材料掺杂浓度进行测试，在测试过程中对耗散因子、测试频率和腐蚀电流进行优化选择，能够准确地对AlGaAs材料的掺杂浓度进行纵向剖析，通过测量曲线的分析来指导外延层浓度的设计和优化，进一步提高器件性能。
实验六电容-电压法测量pn结的平均杂质浓度和杂质分布解析
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。
实验4 C-V法测量外延层杂质浓度
Xidia of Microelectronics
实验原理
实验测试方框图和测试原理图
Xidian University School of Microelectronics
实验原理
当高频小信号电压加到被测样品(被测势垒电容C)和接收机输入阻抗R上 时， 高频信号电压就被 C和R以串联形式分压，如果在样品两端再加上反向直流 偏压， 改变偏压时，势垒电容随反向偏压的增大而减小，其容抗随反向偏压增 大而增大，那么R两端的高频电压就随反向偏压的增大而减小。如果将R两端变 化的信号电压进行高放后经混频、中放、检测后送入函数记录仪的Y轴上， 该直 流偏压的变化就反映了样品的势垒电容的变化。另一方面，将加在样品两端的直 流偏压经分压并加在函数记录仪的X轴上，那么，在函数记录仪上直接可描绘出 样品的电容-电压特性曲线。 本实验内容是以汞和N型硅接触，构成肖特基势垒管并用C-V测试仪描绘其 电容-电压曲线。
实验参考资料
☆孙恒慧、包宗明:《半导体物理实验》高等教育出版社。 ☆上海科大半导体室译:《半导体测量和仪器》上海科学技术出版社。 ☆电子科大半导体室编:《半导体专业实验讲义》,1986.9。 ☆王家骅、李长键:《半导体器件物理》科学出版社，1983。
Xidian University
School of Microelectronics
Xidian University School of Microelectronics
实验数据处理和分析
☆公式中各常数为：q =1.6x10-19库仑、硅εs=12、A =πd2/4、d =1mm ，ε0= 8.854x10-14法拉/厘米、△C、△V分别为Pf和V0，则计算耗尽层宽度公 式为： X = 83.41*d2/C 计算距表面距离为X处的杂质浓度N(X)的公式为： N(x) = 9.5 X 101o·c3/d4 ·∆v/∆c ☆由C-V曲线作图，求出某一电容C时的∆v/∆c比值，并列表，取点不少 于15个。 ☆用对数座标纸画出N(x)～X的分布曲线。
C-V测试基本原理
AL的公函数为4.1eV N+多晶的功函数为4.05eV
接触后表面能带弯曲，为达到理想平带状态，需外加一个 相当与功函数差的电压，在此需在金属侧加一个负电压，此 电压为平带电压VFB’
2.氧化层电荷对CV特性的影响
在实际的MOS结构中，SIO2中存在四种电 荷：它们的净电荷将在硅表面感应出空间 电荷导致表面能带弯曲。要抵消这种电荷 的影响使能带恢复平直必须在栅上加符号 相反的等量电荷Qm。设氧化层中净电荷为 Qox，则栅上所加的电压必须要满足：
通过BT处理来检知
+BT VFB －向移动
－BT VFB ＋向移动
根据可动电荷在SIO2内的 位置影响不同，一般负BT后 曲线变化较小
界面陷阱：在完整的SI晶格中，SI和SI之 间以共价连接，但在SI和其他材料的界面 上或晶格总结处会有一个电子被挂起来， 成为“挂键”，在氧化过程中，这些挂键 没有全部用完，成为“界面陷阱”，根据 SI表面能带弯曲的不同，成为正电荷或未 成为正电荷。氧化后退火不充分或表面受 辐射的影响均可造成界面陷阱的增加
VFB’’=Qm/Cox=－Qox/Cox
结合以上两点，维持平带所需的电压为 VFB=VFB’+VFB’’= φms－Qox/Cox
SI-SIO2的四种电荷对CV特性的影响
可动电荷:主要包括Na+、K+，Na是一 种碱金属，很活跃，在SIO2生长过程中 及以后的处理中很容易受到沾污，而且 Na+在高温偏压下会发生漂移。当进入 SIO2后，将在SI表面感应负电荷，其效 果相当于在栅上加了一个正电压，使CV 曲线发生漂移
● 氧化硅和SI-SIO2界面无界面陷阱
在任意偏压下，电荷仅位于半导体内， 且与临近氧化层的金属表面电荷量大小 相等，但极性相反
Origin软件在“电容-电压法测半导体杂质浓度分布”实验中的应用
Origin软件在“电容-电压法测半导体杂质浓度分布”实验中的应用丁格曼;张军朋【摘要】基于电容-电压法（简称C-V法）来测量半导体杂质浓度分布，简单快速且不破坏样品。
为更快速、精确求得半导体杂质浓度分布，利用Origin软件绘出样品的C-V曲线、1C2-V曲线的线性拟合，快速求出杂质浓度、自建场及绘制相应的杂质浓度分布曲线。
%The capacity-voltage method( C-V method)for measuring impurity distribution is fast,non-destruc-tive and easy to implement.In order to get impurity distribution more quickly and exactly,this paper plot C-V curve ,1C2 -Vcurve and curve fitting by the origin software to calculate the impurity concentrations,and the im-purity distribution curve is more simple and convenience to obtain.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2016(029)002【总页数】4页(P90-93)【关键词】C-V测量法;Origin;杂质浓度分布;pn结【作者】丁格曼;张军朋【作者单位】华南师范大学，广东广州 510006;华南师范大学，广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】O4-39半导体器件在设计和制造过程中，半导体内部的杂质浓度分布测量是半导体材料和器件的基本测量之一。
用电容-电压法测量半导体杂质浓度的分布，适用于有一侧杂质浓度远低于另一侧的半导体(单边突变结)，并且测量既简单快速又不破坏样品，是常用的测量方法之一[1]。
PN结浓度实验报告
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：2015。
11。
26【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—电阻并联等效模型一、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.二、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C x.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。
电容-电压法测量n_n_外延层中杂质浓度
实验四、电容-电压法测量n/n +外延层中杂质浓度一、 实验目的通过测量肖特基势垒二极管电容与反向电压的关系，测量硅及砷化镓n/n +外延层的杂质浓度随深度的分布。
二、 方法原理目前国内广泛应用电容-电压法测量外延层的杂质浓度，主要是因为它比三探针优越。
三探针法是基于反向击穿电压与杂质浓度的关系建立起来的，并且使用标准样品校正的方法。
由于反向击穿电压的限制，它对薄片和高阻外延层不适用。
而电容电压法可以测量薄层（2~10微米）与杂质浓度较低的（1012~1014cm -3）外延层。
目前砷化镓外延层很薄，用此法可以满足工作的要求，并且它可以测出外延层中杂质的纵向分布，对检查外延片质量及设计器件有重要的意义。
以下我们就来看此方法的基本原则。
具有单向导电性的金属-半导体接触，称为肖特基势垒二极管，简称SBD ，SBD 的结构和PN 结是相似的。
PN 结中所形成的空间电荷区和自建电场，是因为P 型和N 型半导体的电子费米能级原来高低不同，相互是不平衡的。
形成SBD 的金属和半导体，一般功函数也不同，所以也是互相不平衡的。
因此同样也要发生电荷的流动，形成空间电荷区、自建场和势垒，最后是费米能级在各处达到同一水平。
金属和N 型半导体的SBD 的空间电荷区很象一个P +N 的单边突变结。
金属一边空间电荷区很窄，是因为载流子浓度很高，相当于很高的掺杂浓度。
空间电荷的宽度几乎全在半导体一边，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，耗尽层的宽度取决于半导体的杂质浓度。
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。
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：A W C 0εε= (1)式中：W----耗尽层宽度；ε----硅的介电场数；ε0----真空电容率；A----结面积。
假如半导体内杂质浓度是均匀的，则在耗尽层的区域内，泊松方程的解给出了如下的结论：)(20V V N q AC iD +=εε (2)式中：C —结电容A — 结面积q —电子电荷ε—半导体材料的介电常数ε0—真空电容率N D —n 型半导体外延层施主浓度V I —自建电压V —外加反向片压的数值由(2)式得： 20212CN q A V V D i ⋅=+εε (3)当反向偏压增加时，电容减小，所以： 302C N q A C V D εε=∆∆ (4)CV q A C N D ∆∆⋅=023εε (5) 因为结面积为圆形，所以：16)4(42222d d A ππ==，代入(5)式得： C V d C qN D ∆∆⋅=4302161εεπ （6） q=1.6⨯10-19[库仑]，硅的介电常数ε=11.75，ε0=8.854⨯1014法拉/厘米。
实验5PN结的CV特性
实验5 PN结电容电压特性测试一、实验目的1.掌握CV-2000 型电容电压特性测试仪的使用方法；2.熟悉C-V 特性的测试二、实验仪器CV-2000 型电容电压特性测试仪是测试频率为1MHz的智能化数字的电容测试仪器，专用于测试半导体器件PN结的势垒电容在不同偏压下的电容量，也可测试其它电容。
三、实验原理PN结在反向偏压作用下耗尽层宽度如公式3-1所示，[()]⁄( )其中为内建电势，为反向偏压，为施主掺杂浓度。
公式说明，反向偏压时，PN结的耗尽层宽度是偏压的函数，当偏压增加时耗尽层将展宽，空间电荷的数量增加；当偏压减小时耗尽层将变窄，空间电荷的数量减少。
空间电荷是不动的，空间电荷的增加实际上是随反偏压的增加，空间电荷区边界有一部分电子和空穴被抽出，从而露出更多的没有电子和空穴中和的施主离子和受主离子。
空间电荷的减少则是随着反偏压的减小，有电子和空穴注入空间电荷区中和了部分施主离子和受主离子。
以上分析说明，在偏压作用下，PN结具有充放电的电容作用。
这种由于耗尽层内空间电荷随偏压变化所引起的电容称为PN结的耗尽层电容（depletion-layer capacitance），耗尽层电容也称为势垒电容（barrier capacitance）和过度电容。
耗尽层两个半边内的空间电荷正比于耗尽层宽度。
对于P+N结，有√ () ( )耗尽层电容强烈地依赖于偏压信号的频率。
小信号耗尽层电容的定义为( )把3-2式代入3-3式导出[()]⁄( )() ( )⁄对的实验曲线如图3-1所示。
根据该图中直线的斜率可以计算出施主的浓度，此外直线外推至电压轴可求出内建电势。
图3-1C-V法利用PN结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的信息，这类测量称为C-V测量技术。
3.1概述CV-2000 型电容电压特性测试仪采用电流电压测量方法，它用微处理器通过8次电压测量来计算每次测量后要求的参数值。
pn结杂质浓度分布的测量
pn结杂质浓度分布的测量摘要：将锁相放大器用于电容—电压法测量P+N结杂质浓度，利用PN结的电容C T与反向偏压V R之间的关系表达式通过作图法和相关计算得出某一PN结的接触电势差V D以及浅杂质端的杂质浓度N D，研究了具有不同正电阻的PN结在零偏压下位相角的变化，表明了在正向电阻较小的情况下，位相角变化就越大，而随着正向电阻的增大，位相角变化就变得不那么明显。
另外，本文还探索了标准电容和PN结电容与位相角之间的关系，得出了对于标准电容，其位相角大小几乎不随电容值的变化而变化，而对于不同偏压下PN 的电容，在零偏压下，PN结电容最大，势垒宽度最小，电阻也最小，这时候位相角变化最快；而随着偏压的增大，PN结电容减小，势垒宽度增大，电阻也相应地增大，这时候位相角变化就不那么明显了。
关键词：锁相放大器；PN结；反向偏压；位相角；电容值1.引言在半导体器件的设计和制造过程中，如何控制半导体内部的杂质浓度分布，从而达到对器件电学性能的要求，是半导体技术中的一个重要问题，因此对杂质浓度分布的测量，也就成为半导体材料和器件的基本测量之一。
而电容—电压法由于具有独特的优点，比如简单快速，又不破坏样品，使得其成为测量P—N 结杂质浓度分布中较常用的方法之一，但是应该指出，这种方法仅能反映P—N结轻掺杂一边的杂质分布。
另外一方面，锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA）是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。
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。
自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。
将锁相放大器用于电容—电压法测量PN结杂质浓度分布中是其应用的一个很好实例，可以比较好地提高精度，而且也简单可行。
P-N结是由P型和N型半导体“接触”形成的，交界之处的杂质浓度可以是突变的或是缓慢的，在结的界面处形成势垒区，也称空间电荷区。
半导体实验
电容-电压法测量p+n 结的平均杂质浓度和杂质分布 第一组组长：郭衡 组员：张俊海，杨名伟，樊琪琳1、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 外延层的杂质浓度和器件的内建电势差。
了解测试MOS 器件的电容-电压曲线2、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：()1/22s bi R n d V V W x eN ε+⎡⎤≈≈⎢⎥⎣⎦()221bi R s d V V C e N ε+⎛⎫≈ ⎪'⎝⎭()1/22s s d biR e N C W V V εε⎡⎤'=≈⎢⎥+⎣⎦()221bi R s d V V C e N ε+⎛⎫≈ ⎪'⎝⎭k e N N e dV C d k s dds R εε22)/1(2'=∴==可以看到，单边突变结C-V 特性可以确定轻掺一侧的掺杂浓度。
这是C-V 法测定材料掺杂浓度的原理。
3、实验仪器：PN 结、MOS 器件、CV-5000型电容电压特性测试仪，计算机。
4、实验过程（1）开机仪器安装连接好后，连接好数据线。
打开CV-5000型电容电压特性测试仪电源开关，电源接通。
仪器执行自检程序。
如果没有故障，测试指示灯亮。
（2）连接被测件被测件引线应相当清洁且笔直，将它插入CV-5000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。
（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。
锁定放大器和Pn结杂质测量
锁定放大器的使用及P-n 结杂质分布测量p-n 结的杂质分布对半导体器件（如光敏二极管、LED 等）的特性有很大影响，控制p-n 结的杂质分布是制造半导体器件的重要课题。
检测p-n 结的杂质分布对改进制造工艺，了解器件性能是必要的。
通过测量不同反向偏值电压下的p-n 结势垒电容，可以方便地测得单边突变p-n 结轻掺杂一边的杂质浓度及分布。
锁定放大器（Lock-in Amplifier ）是一种用相干检测方法测量微弱信号的检测仪器。
它能在强噪声背景下，提取周期信号的幅度和相位值，但不能复现信号的波形。
微弱信号测量就是要克服背景噪声，提取有用信号。
实验目的1． 了解锁定放大器的原理、主要参数。
学会锁定放大器的基本操作。
2． 了解半导体器件的结电容对器件性能的影响。
3． 用C~V 法测量p-n 结轻掺一边的杂质浓度及分布。
实验原理1．p-n 结势垒电容与杂质浓度的关系当p-n 结一边的杂质比另一边浓得多，即N A >>N D 。
N A 是受主杂质密度，对应p 型半导体；N D 是施主杂质密度，对应n 型半导体。
这样的p-n 结为单边突变结，浅扩散法常用它作近似。
单边突变结的n 边和p 边宽度关系为x n >>x p ，因此，总空间电荷区的宽度w ≈x n 。
即电势的变化几乎都落到轻掺杂的n 区，而重掺杂一边的p 区可以忽略。
这样，空间电荷区宽度和偏压V R 的关系仅与轻掺杂浓度N D 有关)(20R D DV V qN w +=εε （1） 其中ε为相对介电常数，对于硅ε=11.8，ε0是真空介电常数，q 为电子电荷，V D 是p-n 结的接触电势差。
这时，p-n 结每一边的存贮的电荷Q 与空间电荷区宽度w 成正比D R D D N V V q A w qAN QA )(20+==εε其中A 为p-n 结的结面积。
单位面积的p-n 结势垒电容wV V N q dV dQ A C R D D R 00)(2εεεε=+== （2） 上式表明，当偏压改变量ΔV R 足够小时，空间电荷区的电荷改变量A ΔQ 与ΔV R 成正比，其比值即为p-n 结势垒电容C 。
pn结传感器的基本原理和应用
pn结传感器的基本原理和应用1. 介绍pn结传感器是一种基于pn结的电子器件，通过反应和测量材料或环境的物理量来实现信号的采集和转换。
本文将介绍pn结传感器的基本原理和应用。
2. pn结的基本原理pn结是一种半导体结构，由p型半导体和n型半导体的结合组成。
在pn结中，p型半导体中的杂质主要是三价的掺杂剂，例如硼，这使得p型区域在杂质离子含量下有多余的空穴。
n型半导体中的杂质主要是五价的掺杂剂，例如磷，这使得n型区域在杂质离子含量下的杂质离子有多余的电子。
当n型和p型半导体相接触时，由于能带的结构不同，电子将从n型区域流向p型区域，空穴将从p型区域流向n型区域，从而形成一个电子亏损区和一个空穴亏损区。
这个电子亏损区和空穴亏损区形成了一个空间电荷区，也称为耗尽区。
3. pn结传感器的类型3.1 光敏传感器光敏传感器是一种常见的pn结传感器，它的导电特性会受到光照强度的影响。
当光照强度较高时，光子会激发pn结中的载流子，从而增加电流。
因此，光敏传感器可以用于光强测量、光照度控制等应用。
3.2 温度传感器温度传感器是另一种常见的pn结传感器，它的导电特性会随着温度的变化而改变。
在温度变化时，载流子的流动性也会发生变化，从而引起电流的变化。
温度传感器广泛应用于温度测量、温度控制等领域。
3.3 压力传感器压力传感器是利用pn结的应变效应来测量压力的传感器。
当压力施加在pn结上时，其结构会发生微小的变形，从而改变载流子的流动性。
通过测量电流的变化，可以得到压力的值。
压力传感器广泛应用于压力监测、气体流量测量等领域。
4. pn结传感器的优势和应用场景4.1 优势•灵敏度高：pn结传感器对于不同的物理量具有较高的灵敏度，能够精确地反映物理量的变化。
•响应快：pn结传感器的响应时间通常很快，可以实时地采集信号。
•范围广：pn结传感器可以用于测量多种不同的物理量，具有较大的应用范围。
4.2 应用场景•工业控制：pn结传感器常用于工业自动化领域，监测和控制各种物理量，如温度、压力、流量等。
半导体表征
为了满足各种半导体器件的需要，必需对材料的电学参数进行测量，这些参数一般为电 阻率、载流子浓度、导电类型、迁移率、寿命及载流子浓度分布等。
测量方法有四探针 、三探针、扩展电阻、C-V 法及Hall 测量等。
对于半导体材料的电阻率，一般采用四探针、三探针和扩展电阻。
四探针法是经常采用的一种，原理简单，数据处理简便。
测量范围为10-3-104 防 米， 能分辨毫米级材料的均匀性，适用于测量半导体材料、异型层、外延材料及扩散层、离 子注入层的电阻率，并能够提供一个迅速的、不破坏的、较准确的测量。
采用四探针法测量相同导电类型、低阻衬底的外延层材料的电阻率时，由于流经材料的 电流会在低阻衬底中短路，因此得到的是衬底与外延层电阻率并联的综合结果。
这时， 需要采用三探针法、扩展电阻法等。
三探针法是利用金属探针与半导体材料接触处的反向电流-电压特性、测定击穿时的电压 来获得材料电阻率的知识的。
C-V 法利用PN 结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的 信息，这类测量称为C-V 测量技术。
这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分 布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。
虽然扩展电阻也能测量纵向分布 ，但它需将样品进行磨角。
但是C-V 法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。
Hall 测量在半导体材料测量中，霍尔效应有着广泛的应用。
用它来研究半导体材料导电过程或输 运现象。
可提供材料的导电类型、载流子浓度、杂质电离能（包括深、浅能级杂质）、 禁带宽度、迁移率及杂质补偿度等信息。
测量霍尔系数判断样品的导电类型，载流子浓度。
范德堡法测量电阻率 原理：一矩形半导体薄片，当沿其x 方向通有均匀电流I （如I AB ），沿Z 方向加有均匀磁感应强度的磁场时，则在y 方向上产生电势差（ΔV CD ）。
这种现象叫霍尔效应。
所生电势差用V H 表示，称为霍尔电压，其相应的电场称为霍尔电场E y 。
C-V测量讲义
区分开来，负 BT 处理是给样品加一定的负偏压（即VG < 0 ），同时将样品加热到一定的温
度。由于可动电荷（主要是带正电的 Na + 离子）在高温小有较大的迁移率，它们将在高温
负偏压条件下向金属- SiO2 界面运动。经过一定的时间，可以认为 SiO2 中的可动电荷基本
上全部运动到金属- SiO2 界面处。保持偏压不变，将样品冷却至室温，然后去掉偏压，测
SiO2
Cs Si 衬底
(a) MOS 结构示意图
图1
（b）等效电路图
由半导体平面工艺制备的 MOS 结构，是在“清洁”硅片上用热氧化、蒸发和光刻等方法 制备而成的。其结构如图 1（a）所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。但是，由 于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有 一定的厚度（—微米量级），而不像金属中那样，只集中在一薄层（～0.1nm）内。半导体表
○d 偏压VG 〉〉0 的反型区电容
当外加正偏压进一步增大时，表面处能带相当于体内进一步向下弯曲，表面处费米能级位
置可能高于禁带中央能量 Ei ,也就是说，费米能级离导带底比价带顶更近一些。这意味着表
面处电子浓度将超过空穴浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相反地一层，叫做反型 层。C-V 曲线进入反型区，表面空间电荷内少子（电子）的出现，随偏压的变化是很剧烈地， 这些电子屏蔽了绝大部分增加的表面电场，使得只有极少数所增加的电力线穿过反型区进 入耗尽区里去，因此随着偏压增大，耗尽区宽度的增加减少了，甚至是基本不增加，达到 了一个极大值。但反型层中的电子是 p 型半导体的少子，其数量来不及随测试电容的高频
= WS
− Wm q
（10）
对于铝栅 p 型硅 MOS 结构，VmS 大于零，Qox 通常也大于零（正电荷），所以VFB < 0 ，如图