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pn结的显示与结深的测量
实验 p-n 结的显示与结深的测量
在用平面工艺制造晶体管和集成电路中,一般用扩散法制作p-n结。由于扩散杂质与外延
层杂质的类型不同,所以在外延层中某一个位置,其掺入杂质浓度与外延层杂质浓度相等,
从而形成了p-n结。将p-n结材料表面到p-n结界面的距离称为p-n结结深,一般用Xj 表示。由于
基区宽度决定着晶体管的放大倍数β、特征频率fT等电参数,而集电结结深Xjc 和发射结结深
Xje 之差就是基区宽度,因此必须了解并掌握测量结深的原理和方法。
测量结深的方法有磨角法、滚槽法,也可以采用阳极氧化剥层法直接计算得出。本实验
采用磨角法。
本实验的目的是学会用磨角器磨角法制作 p-n 结,采用电解水氧化法显示 p-n 结;并利用
金相显微镜测量结深。
一、实验原理
在测量结深时,首先要对 p-n 结表面进行染色显示,以明确 p 区和 n 区的界面位置。本
实验采用电解水氧化法显示 p-n 结。该方法简单方便、容易掌握、实验效果好,最大的优点
是对同一样片可反复氧化显示,直至清晰满意。
在此,首先介绍电解水氧化法显示 p-n 结的原理,然后再介绍用磨角法测量结深的一般
过程。
1.电解水氧化法显示p-n 结的原理 mA 30V K
电解水氧化法显示p-n结的实验装置如图 30.1 所示。把
经过磨角暴露p-n结的硅片接在电解水电路的阳极上,并将需
要显结的那一部分硅片浸于水中,在水溶液中,由于水分子 硅片
电离生成一定浓度的H+ -
离子和OH 离子
+ -
H2O→H +OH 铂丝
水
当电路接通时,在阳极硅片上放电的同时生成了二氧化硅,
图 30.1
其反应方程为 4OH-+Si→SiO +2H O
2 2
这是一个电化学反应过程—阳极氧化,随着电解电压的增高,水分子激烈地被电离,在阳极
表面不断有氧气生成。经电解水氧化后,阳极硅片上的n 区和p 区分别生长了厚度不同的SiO2薄
膜,由于SiO2薄膜厚度不同,所以呈现出的颜色也不同,因此在显微镜下就能清楚地看到n 区、
p 区及其分界面p-n 结的位置。为什么电解水氧化后各区域生长的SiO2 薄膜厚度不等呢?以硅
npn平面管管芯为例,在阳极硅片上,n型发射区和p型基区尽管小到只有微米的数量级,但是
各区域的电导率是不相等的,发射区的平均电导率为σ =1/R X ,基区的平均电导率为σ
o o jo
=1/R X ,因为R 《R ,X 〈X ,所以σ » σ ,因此在电解时,流过发射区和基区的电流密
b b jb o b je jo o b
度各不相同,其结果在发射区和基区表面氧化生成的SiO2薄膜厚度就不相同,这样二个区域
就染上了不同的颜色。电解水氧化法就是利用这一原理实现了对p-n结的染色显示。
1
实际上,对同型的硅材料只要掺杂不均匀,电解时流过各处的电流密度也就不相同,生
长的SiO2薄膜厚度也不相同,所以也能区别开来。
本实验使用的电解液是自来水。由于自来水中存在着各种负离子,这些负离子能提供电
解电流,对氧化显结反应起着催化作用。在寒冷的冬天,为了加强这种催化作用,可在自来
水中加入极少量的 NaOH ,这时在电解电压下,可得到满意的电解电流。
2 .磨角法测量p-n 结结深
如果 p-n 结深度较大(例如大功率器件中的结),可直接掰
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