PN结电容电压特性讲义

PN 结电容电压特性及掺杂浓度的测量

一、实验目的

1. 掌握CV-2000 型电容电压特性测试仪的使用方法；

2. 熟悉C-V 特性的测量。

二、实验仪器

CV-2000 型电容电压特性测试仪是测试频率为1MHz 的智能化数字的电容测试仪器，专用于测试半导体器件PN 结的势垒电容在不同偏压下的电容量，也可测试其它电容。面板上的发光二极管指示仪器的工作状态，用数码管组成的显示板，将被测元件的数值，小数点清晰地显示出来。仪器有较高的分辨率，电容量是四位读数，可分辫到0.01pF，偏置电压分辨力为0.1V，漏电流分辨力为0.01uA。

该仪器采用电流电压测量方法，它用微处理器通过8 次电压测量来计算每次测量后要求的参数值。用一个相敏检波器和模数转换器顺序快速完成电压测量。正交测量通过交换测量信号的相位来进行，而不是参考相位检测。因而不需要精密的模拟相位转换成电压矩形波电路。通过从同一个高频信号源形成测试信号和参考信号，来保证正确的相位关系。由微处理器根据已知的频率和测试信号相位，用ROM 存储器内的程序来控制测量，以及存储在RAM 中的校准数据来计算被测元件电容值。

三、实验原理

C-V 法利用PN 结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的信息，这类测量称为C-V 测量技术。这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。虽然扩展电阻也能测量纵向分布，但它需将样品进行磨角，而C-V 法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。

PN结电容为势垒电容与扩散电容之和,正向偏压时,由于正向电流较大,扩散电容大于势垒电容.反偏时,流过PN结的是很小的反向饱和电流，扩散电容很小，这时势垒电容起主要作用。所以，C－V测量加反向电压。

1.对于突变结

势垒电容，N*＝为约化浓度，A为结区面积

即对突变结来说，1/C2与V呈线性关系。如图：

直线延长与V轴的交点，可求出接触电势差V D，由直线斜率可求出N*。当PN结为单边突变

结时，约化浓度可用高浓度一侧的掺杂代替。

2.缓变结

势垒电容：，G为掺杂浓度梯度。

即对线性缓变结来说，1/C3与V呈线性关系。

由直线斜率和截距可求出杂质浓度梯度G和V D。

四、实验内容与步骤

1. 测量步骤：

（1）开机

仪器安装连接好后，把电源开关按到ON 位置，电源接通，仪器执行自检程序。如果没

有故障，测量指示灯亮。偏置电压指示状态为(电压去)，虽然偏置电压有显示，但该电压尚未加到夹具上去。

（2）连接被测件

被测件引线应相当清洁且笔直，将它插入CV-2000 测试座具即可。若被测件引线脏，

必须先擦干净，以保证接触良好。

（3）零校准

由于温度变化或改变夹具，都会引起寄生电感变化，因此，在每天开机30 分钟后，改

变夹具或温度变化大于3℃时，都要完成零校准。分两步完成：

I、开路零校准。

a．开机

b．在测量功能检查之后，应按[开路校准]按钮。在电容显示屏内出现一个零，并且通过灯亮，让人体远离仪器。按[校准触发]键并等一会，直到通过灯重新亮，开路校准完成。II、短路零校准。

把随机附带的短路铜片插入测试槽按[短路校准]按钮，电容显示屏内出现一个5，并且通过灯亮，按[校准触发]键等一会直到通过灯重新亮，短路零校准完成。完成后请将短路铜片拿开。

（4）测量

在零校准后按测量健，当测量指示灯亮即进入测量状态。

（5）偏置电压下测量电容

A.完成上面四个步骤后，把元件插入CV-2000 夹具，夹具的插槽电压极性为：左边插槽为（+）极，右边插槽为（-）极。如测试三极管集电极、基极反向电压特性，如系PNP型三极管基极插入（+）插槽，集电极插入（-）插槽，如系NPN 型三极管基极插入（-）插槽，集电极插入（+）插槽然后加不同偏压即可得出不同偏压下的电容值。如测试二极管，则二极管的“+”极插入（-）插槽，“-”极插入（+）插槽，即可得出不同偏压下的电容值。

B.粗调电位器“W1”及微调电位器“W2”的使用：

W2 的调节范围是0-V0(V0 在20V 以下，不同机器有些许差别)，可精确调节每0.1V。当测试元件反向耐压在V0 以下，可将W1 左旋至尽，单独调节W2 即可。当测试元件反向耐压在100V 以下，则需W1、W2 配合使用，请按以下步骤进行操作：

首先测量20V 以下电容值：将W1 左旋至尽，单独调节W2 同时记录电容值，当W2右旋到头时记下电压V1。

完成后再将W2 左旋至尽，然后慢慢右旋W1 使偏压电压值显示为V1，然后慢慢调节W2，并记录电容值，当W2 右旋至尽时记下电压V2。

完成后再将W2 左旋至尽，然后右旋W1 使偏置电压显示为V2，然后慢慢调节W2，重复步骤2 即可得出100V 以内的偏置电压下的电容值。

测量二极管型号：IN4007.为线性缓变结二极管。

表1 数据记录表

电压/V 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

电容/Pf

电压/V 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2

电容/Pf

电压/V 1.4 1.6 1.8 2.0 2.3 2.6

电容/Pf

电压/V 2.9 3.5 4.0 4.5 5. 5.5

电容/Pf

电压/V 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5

电容/Pf

电压/V 9.0

电容/Pf

五、思考题

1、什么是PN 结的电容效应？它有哪些应用？

注意事项

1、加偏置电压时，请不要用手触摸电极，以防触电

2、为保护下次测量的器件关机前请分别将W1、W2 左旋至尽，使偏置电压显示为0V。

3、测量时，偏置电压刚好达到时读数，即刚刚显示变为目标值时，读电容值。