近代物理单元6低温和固体物理.PPTVIP

6.3 用电容－电压法测半导体杂质浓度分布 实验前的思考 1. 固体的能带与孤立原子的能级有何关系？ 2. 二极管PN结是如何形成的？ 3. PN结类型主要有哪些？ * 实验原理 1. 半导体的基本概念：原子能级与固体能带 孤立原子的电子能级是分立的，有确定的分布。当孤立原子相互靠近，形成周 期性排列的晶格时，会产生一个周期性的晶格势场，在周期性势场的影响下，电子 准连续的分立能级在布里渊区边界发生断裂，形成固体能带，孤立原子的电子能级 与固体中的能带对应，低能级对应低能带，高能级对应高能带。 能带中各能级被电子所填满的能带称为满带，没有 被电子填充的能带称为空带，其中，一系列满带中最高 的能带称为价带，价带之上的能带称为导带，两者之间 能带之间的能量间隔称为禁带宽度，用Eg表示。 其中: Eg(Si)=1.21eV， Eg(Ge)=0.76eV * 2. 半导体的基本概念：施主能级和受主能级 未掺杂的半导体称为本征半导体，其导电机制是电子－空穴混合导电，如果掺入杂质则会在禁带内形成浅的掺杂能级： 如果掺入的是微量的施主杂质，则会在导带底下形成施主能级； 如果掺入的是微量的受主杂质，则会在价带顶上形成受主能级； 例如：对四价的Si而言 五价的P是施主杂质，掺入P会形成施主能级， 产生施主电离，其电离能约为0.044eV; 三价的B是受主杂质，掺入B会形成受主杂质， 产生受主电离，其电离能约为0.045eV。 * 3. 二极管PN结：势垒电容和杂质浓度分布 当P型半导体和N型半导体相互接触，会形成PN结。由于N区的多数载流子电子 的浓度高过P区的少数载流子电子的浓度，则在密度梯度作用下，N区的电子向P区 扩散，并留下正离子形成带正电的空间电荷区。同理， P区的多数载流子空穴向N 区扩散，并留下负离子形成带负电的空间电荷区。空间电荷 区会产生内建电场E（N区→P区），该内建电场E将阻止多 数载流子进一步的扩散运动。 在内建电场E的作用下，N区的少数载流子空穴将向P区 漂移，P区的少数载流子电子将向N区漂移。当多数载流子 扩散运动和方向相反的少数载流子漂移运动达到平衡时， 就会形成稳定的空间电荷区和接触电势差VD，并产生势垒 电容C。 * 其中P区的空间电荷区厚度xp，受主掺杂浓度NA，N区的空间电荷区厚度xn，施主掺杂浓度ND满足如下等式： 对单边突变结，比如NAND，则PN结主要集中在低掺杂浓度一侧（即N区）。 此时的势垒电容C： 对应的低掺杂浓度一侧的杂质浓度ND。 其中ε0=8.854pF/m，硅的εr=11.8，q是电子基本电量，S是结面积。 * 实验内容 采用电容－电压法，测量普通二极管，变容二极管的C-V曲线，并根据C-V曲线计算PN结中低掺杂一侧的杂质浓度分布ND(l)。 方法：给二极管加反向偏置电压VR，测量对应的电容值。 思考题 如果判断给二极管所加偏压是反向偏置电压？ 能否进一步判断被测二极管的PN结类型？ *