Методики проведення досліджень

Методика вимірювання ВФХ напівпровідникових структур із різким p – n-переходом

Електронно-дірковий перехід – це високоомна область ("діелектрик"), де існує подвійний заряджений шар: електронна частина заряджена позитивно, діркова – негативно. Таким чином, р – n-перехід еквівалентний конденсатору, обкладин­ка­ми якого є межі p – n-переходу, а діелектриком – сам запірний шар.

Бар’єрна ємність p – n-переходу визначається аналогічно до ємності плоского конденсатора

, (44)

де S – площа електричного переходу; d – товщина переходу; ε – діелектрична проникність напівпровідникового матеріалу; ε₀ = 8,85∙10^-12 Ф/м – діелектрична стала.

З урахуванням зв’язку товщини різкого p – n-переходу та напруги зовнішнього зміщення

(45)

вираз для бар’єрної ємності в загальному випадку набуває вигляду

, (46)

де φ_к – контактна різниця потенціалів; N_D і N_A – концентрації донорів і акцепторів відповідно в n- та р- областях; U – напруга зовнішнього зміщення; e = 1,6·10 ^-19 Кл – заряд електрона.

Наведені співвідношення справедливі для різких електричних переходів, якими в основному є переходи у фотоперетворювачах і фотоприймачах. Крім цього, одна із об’ємних областей таких приладів, як правило, набагато сильніше легована домішками за іншу (так звані несиметричні електричні переходи), тобто N_A >> N_D (або навпаки). Для несиметричних переходів

; (47)

, (48)

де N – концентрація домішки у слаболегованій області.

У напівпровідникових приладах на основі р – n-переходу часто одна з областей (наприклад р⁺-область) виготовляється сильніше легованою домішкою за іншу область (наприклад n-область). Зокрема в сонячних елементах це зумовлено необхідністю зменшення опору розтікання фронтальної емітерної області. У такому випадку збіднена область електричного переходу повністю розташована у слаболегованій частині (базі).

При зовнішньому зворотному зміщенні р – n-перехід розширюється в базовій області. Швидкість розширення збідненої області із ростом зворотної напруги, а також динаміка зміни ємності з напругою залежать від розподілу легуючої домішки. Фактично зовнішньою напругою можна сканувати концентрацію домішок у базі приладу.

Для визначення характеру розподілу домішок у базі різкого р⁺ – n-переходу будують графічну залежність (S/C₆)² = f(U), де S – площа електричного переходу; C_б – бар’єрна ємність; U – зовнішня зворотна напруга. За графіками визначають контактну різницю потенціалів, товщину напівпровідникового р – n-переходу та концентрації домішок.

Однорідно легованій базовій області відповідає залежність (S/C₆)² = f(U) (рис. 7).

Рис. 7. Характер залежності (S/C₆)²=f(U) при постійній концентрації домішки в базовій області приладу: N₀ – концентрація домішки; е = 1,6·10^-19 Кл; ε – діелектрична проникність напівпровідника; ε₀ = 8,85·10^-12Ф/м.

Розглянемо блок-схему установки для вимірювання ємності (рис. 8). Постійна напруга на досліджувану структуру (зразок) подається з джерела живлення Б5-8 через дільник напруги на опорах R₁ і R₂. Як дільник напруги може бути використаний магазин опорів. Безпосередньо на зразок постійна напруга поступає з клем "Е" та "I" моста ємностей Е8-2. Полярність напруги збігається з полярністю клеми "І" відносно "землі" (клема "Е"). Для зміни полярності необхідно поміняти місцями штекери на джерелі живлення. Як джерело змінного сигналу використовується низькочастотний генератор Г3-118. За допомогою осцилографа (С1-91) можна здійснювати порівняння двох синусоподібних сигналів, які поступають на його входи "X" та "Y". Якщо ці сигнали не відрізняються за амплітудою і фазою, то на екрані спостерігається горизонтальна пряма лінія. При різних амплітудах і однаковій фазі – лінія, яка нахилена під певним кутом до горизонту. За наявності зсуву фаз між сигналами й однаковій амплітуді спостерігається еліпсоїд, розміщений на екрані горизонтально. Випадок різних фаз і амплітуд сигналів відповідає еліпсоїду, нахиленому під кутом до горизонталі.

Рис. 8. З’єднання вимірювальних приладів для дослідження ВФХ напівпровідникових структур

Суть вимірювання ємності за даною методикою полягає в компенсації зсуву фази та різниці в амплітуді сигналу, який проходить через зразок (">>"), відносно опорного сигналу (">") за допомогою моста ємностей Е8-2. При вирівнюванні цих двох сигналів на екрані осцилографа спостерігається горизонтальна пряма лінія, а встановлене значення ємності на приладі Е8-2 відповідає ємності досліджуваної структури.

Опорний сигнал (">") з генератора (як правило, частотою 1 кГц) подається на вхід "У" осцилографа. Сигнал із генератора на зразок (">>") поступає через міст Е8-2 з клеми "Е". Із моста ємностей через селективний підсилювач У2-8 сигнал подається на вхід "X" осцилографа.

Зсув фаз і зміна амплітуди сигналу через зразок (">>") відносно опорного сигналу (">") є наслідком того, що досліджувана структура одночасно є і ємністю, і опором.

При дослідженні амплітуду змінного сигналу слід підтримувати меншою на кілька порядків за постійну напругу на зразку (як правило амплітуда змінної напруги не перевищує 50 мВ). Контроль величини змінного сигналу на зразку можна здійснювати його подаванням із клеми "Е" приладу Е8-2 за допомогою окремого з’єднувального кабелю на вхід селективного підсилювача. Регулювати величину сигналу можна перемикачем "ослаблення" на генераторі Г3-118. Інтенсивність може помітно змінюватися при перемиканні ручки діапазонів вимірювання К1 на мості ємностей Е8-2.