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单边P-N结杂质分布的锁相检测

物理科学与核能工程学院咸心

历史背景：

半导体材料是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料，这类材料具有独特的功

能特性。以硅、锗、砷化镓、氮化镓等为代表的半导体材料已经广泛应用于电子元件、

高密度信息存储、光电器件等领域。随着人们对物质世界认识的逐步深入，一批具有半

导体特性的有机功能材料被开发出来了，并且正尝试应用于传统半导体材料的领域。

在1874年，人们就开始了半导体器件的研究。然而，直到1947年朗讯(Lucent)科技公

司所属贝尔实验室(前身为ATT贝尔实验室)的一个研究小组发明了双极晶体管后p，

41，半导体器件物理的研究才有了根本性的突破，从此拉开了人类社会步入电子时代的

序幕。在发明晶体管之后，随着硅平面工艺的进步和集成电路的发明，从小规模、中规

模集成电路到大规模、超大规模集成电路不断发展，出现了今天这样的以微电子技术为

基础的电子信息技术与产业，所以晶体管及其相关的半导体器件成了当今全球市场份额

最大的电子工业基础。

摘要：

随着科技和经济的发展，半导体器件在我们生活中的应用越来越广泛，而在半

导体器件中有机半导体应用最为广泛。即将探索和解说有机半导体器件的电学性

能，揭开其神秘的面纱。首先主要从半导体的基本性质和PN结的机理与特性、

双极型晶体管（三极管）和MOS场效应管的电学参数导入。

半导体器件的设计与制造的核心问题是如何控制半导体内部的杂质分布，以满足实际应用

所要求的器件参数。因此，杂质分布的测量是半导体材料及器件的基本测量之一。本实验利

用7265型锁相放大器、采用C-V法测量p-n结的杂质分布。锁相放大器是检测微弱信号的

重要仪器。

关键词：势垒电势势垒电容C—V测量反向偏压锁相放大器信号相

位差

正文：

一、引言

半导体器件设计与制造的核心问题是如何控制半导体内部的杂质分布，以满足实际

应用所要求的器件参数。因此，杂质分布的测量是半导体材料及器件的基本测量之一。

利用四探针或霍耳效应，逐次去层测量薄层霍尔电压，可以获得杂质分布以及迁移率随

杂质浓度的变化；但是，逐次去层比较繁琐，而且具有破坏性。通过测量不同直流偏压

下p-n结势垒电容的方法(C~V法)，可以既不破坏器件本身，又可以比较迅速地求得杂

质分布。

本实验利用7265型锁相放大器、采用C-V法测量p-n结的杂质分布。

锁相放大器是检测微弱信号的重要仪器。检测微弱信号的核心问题是对噪声的处理。

最简单、最常用的办法是采用选频放大技术，使放大器的中心频率f。与待测信号频率

相同，从而对噪声进行抑制。但此法存在中心频率不稳、带宽不能太窄及对待测信号缺

乏跟踪能力等缺点。锁相放大技术利用对待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对

信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。目前，锁相放大技

术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。

二、实验原理

1、pn结电容

PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN结的高频应用。

1）pn结势垒电容定性分析

随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒区中的存入和取出，此现象相当于一个电

容的充放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容，记为CT。势垒电容大小与结上所

加直流偏压有关，是一个可变电容。

dQ

C

TdV

突变PN结势垒区中电荷和电场的分布

突变结指P区和N区内杂质分布均匀,在结处发生突变。

在耗尽层近似下可得到由下式表示的空间电荷区电荷密度分布。

qNxx0



Ap

(x)



qN0xx



Dn

突变结电场分布：

qN(XX)

AP