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Revista Mexicana de Fisica
F Al15
19 (1970) FAI15 - F AI21
MEDIDOR PARA DETERMINAR
CAPACIDAD-VOLTAJE
LA CARACTERISTICA
EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
Esteban
D~ptol
J.
Pérez*
d~ Ing~nitTía Eléctrica
Ctntro dt Invtstigación
y dt Estudios Avanzados
Instituto Politécnico Nacional
1. INTRODUCCION
El efecto capacitivo
en dispositivos
con semiconductores
tales como
uniones p -n y metal. semiconductor, estructuras metal. aislante- semiconductor (\lIS) y metal. óxido. semiconductor
(\lOS) depende del voltaje de polarización y de las propiedades
físicas de los elementos (semiconductor~s
principalmente).
Así, un estudio experimental de la característica
(- V permite
determinar el valor de varias de esas propiedades
físicas, tales como la altura de la barrera de potencial,
ancho y perfil de la región de transición,
concentraciones
de portadores,
carga iónica en el óxido o el aislante,
densidad
de estados interfaz y trampas y probablemente
efectos de túnel cuántico.
Considerando
estas posibilidades,
el estudio experimental de la ca.
racterística
e-v constituye un efectivo medio, al lado del estudio de la ca.
racterística
J-V y efectos
de los dispositivos
de la temperatura,
con semiconductores.
para la investigación
y estudio
FA 116
Pérez
2.
La medición
TECNICA
de la capacidad
DE MEDICION
de un dispositivo
con semiconductores
un problema mayor que la simple medición de una capacidad.
Primero,
la necesidad de aplicar un voltaje de corriente directa de polarización
táneo a la aplicación de un voltaje de corriente alterna
el circuito de medición.
Por otra parte, el dispositivo
es
existe
simul-
de señal para excitar
a medir presenta,
ade ..
más de la capacidad,
una resistencia
en paralelo que puede ser relativamente
baja en dispositivos
experimentales
o a bajas polarizaciones
directas, de tal
forma que un puente de medida convencional
resultaría
poco sensible o inapro"
piado, ya que se puede tener un factor de potencia bastante más alto que el intervalo para el cual son diseñados.
Estos efectos y las necesidades
particu"
lares de voltaje de polarización,
nivel de señal e intervalo de capacidades
a
medir han dado lugar al uso de técnicas particulares
para la medición de la ca.
racterÍstica
fe
c-v , aún
de impedancias
cuando
arreglados
ocasionalmente
se pueden usar medidores
DETECTOR
SENAL
C.A.
Fig. l.
POLARIZ
Principio
puen.
adecuadamente.
DE
de medición
de capacidad
2
NULOS
en un diodo semiconductor.
La técnica desarrollada
en el presente trabajo consiste en el método
sugerido por Henisch y \\"eeb\ mostrado en el circuito de la Fig. l.
Consiste fundamentalmente
en dos ramas RC paralelo, una dada por el circuito equivalente del dispositivo
y otra dada por el resistor R y el capacitor
C varia-
'•"-"
~
~
i
47 KJ\-
o
~
'l-
l5 K",,4015V
""
2¡¡
-;.
47 K•••..
400)lF
I.S K
OISPOSITIV'
A
-Iav
MEDIR
.'
I"~
4.7.•.•..
400}lF
70mH
2.2 K.•.•
+osv
2.2 K.•••..
O.47}1F
400}lF
O.06).1F
I K~
OASI
u
200mV
400)lF
-15 V
Fig. 2. Diagrama eléctrico
del medidor de capacidad.
.,.,
-
>
-.o
F AI18
bIes.
Pérez
Se aplican
una polarización
V y dos señales
alternas
V
y V de igual
0
2
magnitud pero defasadas
180 y se observa la señal de desbalance
entre el
punco de unión de las redes Re y tierra, por medio del deteccoc de nulos. Se
balancea el sistema puente por medio de R y e hasta obtener un nulo en el detector, pudiendo demostrarse
entonces que los valores de R y e Son exactamente iguales a los equivalentes
del dispositivo
bajo estudio.
La condición
de balance de este circuito es insensible
a capacitancias
parásitas
y conduc ..
rancias entre pu,ncos vivos y tierra.
Es independiente
también de los cambios
que la corriente de polarización
pueda producir en el transformador del puente. Estas propiedades
permiten Conectar medidores para observar continua ..
mente la señal de corriente alterna y la polarización,
sin afectar el punto de
balance.
La Fig. 2 muestra el diagrama del medidor diseñado con este principio. La oscilación
se logra mediante un diodo túnel IN3718 para una frecuencia de 33 Kc/s y se mantiene a un nivel de 20 mY que es el valor generalmente usado para no alterar fundamentalmente
el punto de polarización.
La
0
señal necesaria defasada 180 se obtiene mediante un inversor de base a base de un amplificador operacional
TAA521.
Este mismo tipo de amplificador
operacional es usado para elevar la señal de desbalance,
la que finalmente
es rectificada
y leída en un miliamperÍmetro.
Se usa una fuente re~ulada
o
batería de 12 volts para proporcionar la polarización
del dispositivo
medido.
la señal de radiofrecuencia
no pasa a la fuente de corriente directa debido a
un choke de radiofrecuencia
de 0.1 Hz y un condensador de 400 j.lF bloquea
el paso de la corriente directa hacia la fuente de señal de corriente alterna.
COII el objeto de evitar
balancear la resistencia
en el puente, .se usa un resistor de 2.2. KO en cada rama; este valor es suficientemente
bajo para hacer
despreciable
el efecto de la resistencia
paralelo del dispositivo
bajo prueba.
3.
RESULTADOS
EXPERIMENTALES
-~
Las Figs. 3 y 4 muestran las características
C-V y C
- V para un
diodo BYI00.
Es interesante
notar que la Fig. 4 es una comprobación de la
ley teórica
que debe seguir
abrupto y que tiene la forma
la capacidad
en función del voltaje
en un diodo
FAI19
Medidor dl! Capacidad-Voltaje
e
PF
40
10
•
VOLTS
o
2
Fig. 3.
,
Característica
4
e-v
•
6
para el diodo
,
BY 100.
•
-v
FAl20
Pérez
•
o
Q
o
•
o
~
o
•
•
•
,
<
<
o
r
~
•
Fig.4.
Característica
C- ~ - \l para el diodo BY 100,
FA 121
M.didor d. capacidad.Volta¡.
-donde V es el voltaje de polarización
aplicado y Vb y Co una constante
que
depende de las concentraciones
de portadores y de la barrera de potencial,
la
constante dieléctrica y el ancho de la región de transición.
Un dac') que puede obtenerse inmediatamente
de la F ig. 4 es Vb, siendo de 1 vole aproximadamente.
4. CONCLUSIONES
El medidor ha sido probado
con éxito en varios
diodos.
Se usará
aho-
ra en la determinación de las características
de diodos y transistores
planares y estructuras
MOS realizados
en el Laboratorio de Dispositivos
Semiconductores.
Se estudia
también
la posibilidad
lance como una medida de la capacidad
de utilizar
la indicación
de desba-
y el uso de un registrador
gráfico de
la curva C-V •
REFERENCIA
1.
H. l(. Henisch,
Clarendon
"Rectifying
Press,
Oxford,
Semiconductor
Contaccs"
1957.
RESUMEN
Se describe
una técnica
experimental
que permite
determinar
la capa-
cidad de uniones p"n y metal .. semiconductor
en función del voltaje de polad.
zaCion inversa.
Aplicada tanto a diodos comerciales
como experimentales
permite obtener información acerca de la barrera .:le potencial en la unión, el
ancho de la región de transición,
el máximo campo eléctrico
interno y las
concentraciones
de portadores.