Вольт-фарадные характеристики как способ исследования полупроводников и полупроводниковых приборов

Пример преобразования:

         R_s,C_s                                                                                                                                                                      G_p,C_p                                                   

Откуда: ;            

                       

              

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

                                        

 

Рис. 7. Зависимость проводимости, отнесенной к частоте, и емкости в параллельном      соединении от частоты

 

2.4 Определение параметров МДП-структуры на основе анализа С-V-характеристик.

 

а) Определение типа проводимости полупроводниковой подложки

B области сильной инверсии и обогащения емкость C будет слабо зависеть от величины V_G. Как следует из эквивалентной схемы, приведенной на рис. 5 и вида высокочастотной С-V кривой, при обогащении основными носителями емкость МДП-структуры максимальна и определяется емкостью диэлектрика. Таким образом, если максимум емкости C-V кривой лежит в более положительных напряжениях, чем минимум, то подложка изготовлена из полупроводника n-типа, если же максимум C-V кривой находится в более отрицательных напряжениях, то подложка изготовлена из полупроводника p-типа. 

Рис 8. Типичные С(V) для МДП – структур с различными типами проводимости.

 

б) Определение толщины подзатворного диэлектрика.

В обогащении емкость МДП-структуры  определяется только геометрической емкостью диэлектрика С_ox  (16). Отсюда следует, что:

                          (17)

г) Определение величины и знака встроенного заряда.

Для определения величины и знака  встроенного в диэлектрик МДП-структуры  заряда пользуются высокочастотным  методом вольт-фарадных характеристик. Для этого, зная толщину подзатворного диэлектрика d_ox, концентрацию легирующей примеси N_D и работы выхода материала затвора, рассчитывают теоретическое значение емкости плоских зон C_FB МДП-структуры. Проводя сечение С=const= C_FB (теор.), мы получаем при пересечении с экспериментальной ВФХ напряжение, соответствующее φ_s=0, т.е. экспериментальное напряжение плоских зон V_FB (эксп.) При этом,

                          V_{FB эксп}- V_{FB теор} ~ -Q_ox/C_ox           (18)                         

Если Q_ox>0, то V_{FB эксп}> V_{FB теор} и наоборот. Характер влияния фиксированного заряда на C-V характеристики можно пояснить с помощью рис. 9:

 

Рис. 9 Сдвиг C-V кривых вдоль оси напряжений, обусловленный положительным или отрицательным фиксированным зарядом диэлектрика для полупроводника n-типа

 

Для полной электронейтральности структуры  необходимо, чтобы каждый отрицательный  заряд на ее металлическом электроде  компенсировался равным  по величене и противоположным по знаку зарядом  в диэлектрике или в полупроводнике. Если, например, в диэлектрик МДП-структуры встроен положительный заряд, то часть зарядов на металлическом электроде компенсируется фиксированным зарядом окисла, что приводит к соответствующему уменьшению глубины области обеднения по сравнению с идеальной МДП-структурой  при том же напряжении смещения.  

 

 

 

3. Экспериментальная  часть.

 

       Описание измерительной  системы

        Общий вид  функциональных частей системы  выглядит следующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        Управление экспериментом производится с помощью специальной  программы. Она позволяет получить зависимости C(V), G(V), C(w), G(w), т.е. проводимости и емкости от напряжения смещения и от частоты,  а также в области управления  задавать соответствующие параметры эксперимента. В вольт-фарадном режиме к ним относятся: температура, частота,  амплитуда измерительного сигналяа, тип проводимости образца, максимум и минимум напряжения смещения и число шагов, проходимых при однократной развертке.

Термодат регулирует температуру  образца, охлаждение которого производится азотом, а нагрев омическим способом.

  Механизм наладки устройства для подключения образца состоит из нескольких шагов. На медное плоское основание крепится образец омическим контактом вниз, к нему подводится вольфрамовый зонд, который устанавливается на затворе.

 Стоит остановиться на изготовлении зонда, который  крепится на сапфировой палочке. Для прочного контакта с затвором он затачивается электролитическим  способом. Для этого в колбу с раствором щелочи КOH помещаем электрод, другой конец цепи, питаемой переменным током, соединяем с зондом.  Его опусканием в раствор соединяем цепь, что позволяет нам придать зонду заостренный сглаженный вид.  

   

4. Образцы.

 

              В качестве образцов использовались МДП-структуры с диэлектрическим слоем  термической двуокиси кремния (SiO₂) толщиной ~ 80 нм, выращенной на подложках кремния n-типа проводимости со специальной примесью, залегающей по энергии на 0,19 эВ ниже дна зоны проводимости. На поверхность двуокиси кремния напылялись через металлическую маску алюминиевые контакты (полевые затворы) размером 0.7*0.7 мм².

 

5. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

 

           На рис 11. показаны С-V характеристики тестовой МДП- структуры, измеренные при разных частотах тестового переменного сигнала в условиях комнатной температуре:

                   Рис.11. С-V характеристика МДП-структуры. Температура измерения 300K.

Из рисунка видно, что  при увеличении частоты переменного  сигнала от 100 Гц до 1 kГц С-V кривая смещается в сторону положительных смещений и  свидетельствует об уменьшении величины положительного заряда, захваченного на ловушках в диэлектрике. Подъем емкости в области инверсии свидетельствует об ускорении процесса обмена неосновных носителей с зонами. На частотах 100 кГц и выше наблюдается уменьшение емкости в области обогащающих напряжений. Уменьшение емкости связано с присутствием достаточно высокого сопротивления объема полупроводника (влияние последовательно включенного сопротивления).

 

           На рис 12.  показаны С-V характеристики тестовой МДП- структуры, измеренные при 3 частотах тестового переменного сигнала при температуре 320 K.

 

 

 

Рис.12. С-V характеристика МДП-структуры. Температура измерения 320K.

Из рисунка видно, что  качественно вид вольт-фарадных характеристик при повышении температуры не изменяется. Количественно видно, что уменьшение емкости при f=1кГц относительно С_ox в области обогащения ослабевает, что связано с уменьшением последовательно включенного сопротивления объема полупроводника.

          На рис 13. показано семейство С-V кривых, измеренных при 3 частотах тестового переменного сигнала при температуре 340 K.

   

            Рис.13. С-V характеристика МДП-структуры. Температура измерения 340 К.

Сравнение синих кривых рис. 12 и рис. 13 показывает, что на высокой частоте f=1MГц  с ростом температуры  емкость в обогащении возрастает. Это связано с уменьшением сопротивления объема полупроводника при повышении температуры.

       На рис. 14 показаны  С-V кривые, измеренные при 6 различных температурах от 266 К до 360 К при частоте переменного сигнала 1kГц.

              Рис.14. С-V характеристика МДП-структуры. Частота измерения f=1 кГц.

 

Данный рисунок показывает, что, во-первых, в области обогащения емкость структуры не зависит от температуры, что связывается с малостью влияния последовательного  сопротивления объема. Во-вторых, при понижении температуры вольт-фарадная кривая смещается в сторону отрицательных напряжений. При этом  к затвору необходимо приложить большее смещение, чтобы достигнуть напряжения плоских зон. Это подтверждает то, что при понижении температуры некоторые поверхностные состояния приобретают отрицательный заряд.  Стоит заметить, что для идеальной МДП-структуры напряжение плоских зон всегда равно нулю и не зависит от температуры.

           На рис. 15 показаны  С-V кривые, измеренные при различном освещении и частоте измерительного сигнала 1kГц.

 

 Рис. 15. С-V характеристика МДП-структуры, полученные при освещениях Е₁< Е₂< Е₃< Е, частота измерения, Т = 360 К.

 

Кривые на рисунке демонстрируют  влияние освещения на вольт-фарадные кривые МДП-структур. Оно состоит  в том, что величина емкости в  области сильной инверсии приближается к емкости диэлектрического слоя  при увеличении интенсивности света. Этот эффект  обусловлен генерациией неосновных носителей в инверсионном слое. При этом  вольт-фарадная кривая принимает характерный низкочастотный вид.

На  рис.16 показана теоретическая С-V кривая при температуре 300 К, частоте 1 кГц (расчет проведен с помощью прикладной программы). Здесь же приведена экспериментальная кривая при тех же параметрах измерения.

 

 

Рис. 16. Экспериментальная и теоретическая  С-V характеристики МДП-структуры при Т= 300К, f=1 кГц.

Сдвиг экспериментальной кривой на рисунке в сторону отрицательных напряжений показывает на присутствие в диэлектрике положительного встроенного заряда. Из рисунка видно, что напряжение плоских зон  составляет V_FB = - 6,3 В, величина встроенного заряда при этом  Q_ox=2,6*10^-7 Кл/см^-2 и соответствует плотности зарядов, приведенных к поверхности 1,6*10¹² см^-2. Так же наблюдается, что экспериментальная кривая не только сдвинута, но и имеет отличный от теоретической кривой наклон при фиксированной емкости. Это свидетельствует о присутствие поверхностных состояний, которые при пересечении уровня Ферми приобретают зарядовое состояние, которое увеличивает суммарный встроенный заряд.

На рис. 17. представлено семейство  теоретических  вольт-фарадных зависимостей и экспериментальная кривая при  температуре 300 К, частоте 1 кГц.

 

Рис. 17. Экспериментальная  и теоретические С-V характеристики МДП-структуры при частоте f= 1 кГц, Т = 360 К, различных параметрах глубоких уровней.

 

Из рисунка видно, что при нулевой концентрации второго глубокого уровня, изменение емкости в инверсионном режиме при изменении температуры существенно различно при экспериментальном и теоретическом построениях.  В первом случае емкость увеличилась на 60 пФ, во втором 5 пФ. Это свидетельствует о том, что тестовая структура имеет как первый, так и второй глубокие уровни. Изменение при теоретическом построении величины второго глубокого уровня, позволяет его количественно оценить. Его величина составляет 0,29 эВ от края зоны проводимости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Выводы

а) Освоил методику измерений ВФХ в зависимости от частоты, температуры, освещения.

 

б) Освоил программное обеспечение установки, позволяющее проводить корректную запись полученных зависимостей.

 

в) Ознакомился с методикой подготовки зонда методом электролитического травления.

 

г) Получил семейство C-V кривых тестовой МДП-струтуры на кремниевой подложке, легированной донороподобной примесью типа селен.

 

д) Определил:

                  1. Тип проводимости полупроводниковой  подложки тестовой структуры  – n тип

                  2. Емкость подзатворного диэлектрика С_ox = 215 пФ

                  3. Концентрация донороподобной  примеси N_d = 5*10¹⁵ см^-3

                  4. Концентрация 2 глубокого уровня 21*10¹⁵ см^-3

                  5. Поверхностная плотность встроенного в диэлектрик заряда Q_ox=2,6*10^-7 Кл/см^-2_. 

 

е) Освоил программу расчета и проектирования идеальных вольт-фарадных кривых MOSS_DD_Light6.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Список литературы:

1. Абрамов B.Б., Карпанин О.В., Медведев С.П. Исследование свойств полупроводников методом вольт-фарадных характеристик. Пенза 2004.
2. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. М: Советское радио 1970.
3. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. М: Мир 1984.
4. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. СПб.: Лань 2006.