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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