Főmenü megnyitása
MOSFET szimulált C-V görbéje a kapuelektróda-szigetelés különböző vastagságai esetén[1]

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]

Tartalomjegyzék

Fizikai mechanizmusaSzerkesztés

KapacitásváltozásSzerkesztés

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]

SávelhajlásSzerkesztés

 
Sávelhajlások egy TFT eszközben: egyensúly előtt nincs elhajlás; egyensúlyban lehet például kiürítés; előfeszítéssel viszont akkumuláció is előidézhető

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:

  • Akkumuláció esetén a félvezető határfelületéhez közel jutnak a töltéshordozók, d lecsökken, az eszköz kapacitása megnő (az ábrán középen).
  • Kiürítés esetén d megnövekszik, így az eszköz kapacitása csökken (az ábrán jobbra).
  • Inverzió esetén a félvezető határfelületéhez közel a kisebbségi töltéshordozók (n-típusú félvezető esetén elektronlyukak) halmozódnak fel, d megnő, az eszköz kapacitása alacsony frekvencián megnövekszik.

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 kapacitás méréseSzerkesztés

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.

AlkalmazásaiSzerkesztés

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.

MIS-szerkezetSzerkesztés

 
MIS kondenzátor sematikus rajza

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]

  • Akkumulációban nincs kiürített tartománya, így az eszköz teljes kapacitása pusztán a szigetelő kapacitásából adódik:
 
ahol   a szigetelő réteg kapacitása.
  • Kiürítés esetén az eszköz kapacitása a szigetelő réteg kapacitásának és a kiürített tartomány kapacitásának soros kapcsolásaként értelmezhető:
 
ahol   a replusz művelet jele,   a kiürített tartomány egységnyi felületének kapacitása,   pedig a kiürített tartomány szélessége,   a felületi potenciál,   az elemi töltés,   pedig a térfogati donorkoncentráció.[6] A mérés ezen szakaszában a kiürítés mértékétől, tehát az előfeszítés nagyságától függ az eszköz kapacitása.[5]
  • Inverzió esetén eltérő viselkedést mutat az eszköz kis- és nagyfrekvencián. A kisfrekvenciás kapacitás megfelel a szigetelő kapacitásának:
 
míg a nagyfrekvenciás kapacitás megegyezik a szigetelő és a kiürített tartomány sorba kapcsolat kapacitásaival:
 
ahol   a kiürített tartomány maximális kapacitása,   pedig a kiürített tartomány maximális szélessége.[5]

JegyzetekSzerkesztés

  1. MOSCAP szimulátor 2014.
  2. Schroder 2006, 61. o.
  3. a b Lee Stauffer. Fundamentals of Semiconductor C-V Measurements. Keithley Instruments Inc. (2009. február). Hozzáférés ideje: 2019. január 22. 
  4. Schroder 2006, 62. o.
  5. a b c 6.6 The MOS Capacitance. ecee.colorado.edu. (Hozzáférés: 2019. január 23.)
  6. 6.5 Analysis of the MOS capacitor. ecee.colorado.edu. (Hozzáférés: 2019. január 23.)

ForrásokSzerkesztés

Tananyagok, ismeretterjesztő weblapokSzerkesztés

Szakkönyvek, szakcikkekSzerkesztés

További információSzerkesztés

Online szimulátorSzerkesztés

  • MOSCAP C-V görbe szimulátor: Akira Matsudaira, Saumitra Raj Mehrotra, Shaikh S. Ahmed, Gerhard Klimeck, Dragica Vasileska (2014. július 23.). „MOSCap”, Kiadó: nanoHUB. DOI:10.21981/D3736M30D.