From Wikipedia, the free encyclopedia
A félvezetőiparban és a szilárdtestfizikai kutatásban alkalmazott kapacitás-feszültség mérés (angol neve nyomán gyakran C-V mérés) egy elterjedt módszer félvezető anyagok, illetve a belőlük készített félvezető eszközök elektromos jellemzésére. Az eljárásban az vizsgált tartomány két pontja (elektromos kontaktusa) között elektromos feszültséget keltenek, és az ezek közötti elektromos kapacitást mérik a feszültség függvényében.
A mérés elve azon a jelenségen alapul, hogy félvezetőkben az előfeszítés mértékétől függ a tértöltéstartomány mérete, amely pedig az eszköz elektromos kapacitására van hatással.[2] A kapacitásváltozáshoz szükséges feszültség meghatározása például a tiltott sávon belüli állapotokról, illetve csapdaállapotokról, a töltéshordozó-koncentrációról szolgáltathat információt.[3]
Az eljárással többek között Schottky-diódák, MIS illetve MOS eszközök (MOSFET, MOSCAP), p-n átmenetek elektromos jellemzésére van lehetőség, de folyadékkontaktusos (pl. higanykontaktusos) mérőeszközzel szilíciumszeletek vizsgálata is megvalósítható.[4]
A módszer azon alapul, hogy a feszültség hatására a félvezető eszközben egy elektronoktól és elektronlyukaktól mentes kiürített tartomány alakul ki, melyben ionizált atomok, különféle lokalizált szennyezők, illetve elektromosan aktív hibahelyek, például töltéshordozó-csapdaállapotok maradnak vissza, mely tartomány kondenzátorként viselkedik.
A kondenzátorok elektromos kapacitása általánosan az alábbi összefüggésben áll az eszköz fizikai jellemzőivel:
ahol A a kondenzátor fegyverzeteinek felülete, a fegyverzetek közötti dielektrikum dielektromos állandója, d pedig a fegyverzetek távolsága.
Azonos koncepció alapján állapítható meg egy félvezető határfelületen, feszültség hatására kialakuló kiürített tartomány kapacitása, csak ez esetben d a kiürítés szélességét jelöli. A dielektromos állandó felírásában célszerűen különírjuk a vákuum , és a félvezető relatív dielektromos állandóját, emellett a C-V méréseknél megszokott módon egységnyi felületű félvezető kapacitását írjuk fel:
A feszültség változtatásával a kiürített tartomány mérete változik meg, mely a kapacitás változásával jár.[3]
A félvezető eszközben az elektromos feszültség hatására alakul ki különböző szélességű kiürített tartomány. A jelenség az elektromos energiasáv-modellben a sávelhajlás koncepciójával mutatható be. Példaképpen tekintsünk egy MIS (fém-szigetelő-félvezető) eszközben kialakuló sávelhajlásokat a fém kontaktuson alkalmazott különböző előfeszítések esetén. Az ábrán egy félvezető és egy fémes tartomány határfelületét láthatjuk, a két tartományt szigetelő választja el egymástól.
Az ábrán balra látható, hogy egy n-típusú (elektronvezető) félvezető és egy fémes tartomány közötti termikus egyensúly beállta előtt a félvezető határfelületén a sávok laposak. Ha a tartományokat összeérintjük, a Fermi-szint a két tartományban egyensúlyba kerül. Az energiasávok a félvezetőben elhajlanak, ami kiürített tartományt alakít ki a félvezető és a szigetelő határfelületén, ahol igen kevés töltéshordozó található. Ha pozitív előfeszítést alkalmazunk a fémes tartományon, akkor ennek Fermi-szintje lefelé tolódik, ami akkumulációs réteget alakít ki a félvezetőben, a szigetelővel közös határfelületéhez közel.
Ha ellentétes feszültséget alkalmazunk, az eszközben inverziós réteg is kialakulgat: ez azt jelenti, hogy például egy n-típusú MIS eszközben negatív előfeszítés hatására a félvezető határfelületen a
A sávelhajlás mértékének változtatásával befolyásolható, hogy milyen széles kiürített tartomány alakuljon a félvezető felületén, így végső soron d-t az előfeszítés mértéke határozza meg:
P-típusú eszköz esetén a fenti jelenségek hasonlóan mennek végbe, azonban éppen ellenkező előjelű előfeszítések esetén lépnek fel azonos jelenségek, mint az n-típusúnál.
A sávelhajlás következtében kialakuló kapacitásváltozás megmérésére különféle elektronikai módszerek alkalmazhatók. A mérendő eszköz kialakításától függően különféle helyettesítő áramkör képzelhető el, amelyben egy komponens képviseli a félvezető eszköz tiltott sávjának kapacitását.
A C-V mérések során a vizsgált eszköz egy helyettesítő áramkörrel jellemezhető, amelynek egyes komponensei az eszköz részeit reprezentálják. A helyettesítő áramkör attól függ, hogy milyen az eszköz kialakítása. A kondenzátorok kis és nagyfrekvenciás viselkedése közti elektromos különbség miatt általában a C-V mérést is külön értelmezik kis- és nagyfrekvenciás esetre. Ennek megfelelően jelöli a vizsgált eszköz kisfrekvenciás, a nagyfrekvenciás kapacitását.
A MIS (fém-szigetelő-félvezető) szerkezeten alapuló eszközök (pl. MOSFET, MOSCAP) esetén a C-V mérés során az alábbi helyettesítő áramkörrel vehetjük figyelembe az eszköz elektromos viselkedését.[5]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.