MEDIDOR PARA DETERMINAR LA CARACTERISTICA CAPACIDAD-VOLTAJE EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES. J. Pérez* Esteban. d~ Ing~nitTía Eléctrica

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1 Revista Mexicana de Fisica 19 (1970) FAI15 - F AI21 F Al15 MEDIDOR PARA DETERMINAR LA CARACTERISTICA CAPACIDAD-VOLTAJE EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES Esteban J. Pérez* Dptol d IngnitTía 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 (semiconductors 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 la temperatura, para la investigación y estudio de los dispositivos con semiconductores.

2 FA 116 Pérez 2. TECNICA DE MEDICION La medición de la capacidad de un dispositivo con semiconductores es un problema mayor que la simple medición de una capacidad. Primero, existe la necesidad de aplicar un voltaje de corriente directa de polarización simultáneo a la aplicación de un voltaje de corriente alterna de señal para excitar el circuito de medición. Por otra parte, el dispositivo 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 c-v, aún cuando ocasionalmente se pueden usar medidores puen. fe de impedancias arreglados adecuadamente. SENAL C.A. POLARIZ DETECTOR DE NULOS 2 Fig. l. Principio de medición de capacidad 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-

3 l5 47 KJ\- K",,4015V '" "- i o 'l- "" 2- -;. 47 K.. 400)lF OISPOSITIV' A MEDIR I.S K.' -Iav I" mH 400}lF 2.2 K K... +osv O.47}1F O.06).1F u 400}lF I K OASI 200mV 400)lF -15 V Fig. 2. Diagrama eléctrico del medidor de capacidad..,., >-.o

4 F AI18 Pérez bies. Se aplican una polarización V y dos señales alternas V y V de igual magnitud pero defasadas y se observa la señal de desbalance 2 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 señal necesaria defasada 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 reulada 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 la capacidad en función del voltaje en un diodo abrupto y que tiene la forma

5 Medidor dl! Capacidad-Voltaje FAI19 e PF o 2, 4 6, VOLTS -v Fig. 3. Característica e-v para el diodo BY 100.

6 FAl20 Pérez o Q o o o,< < o r Fig.4. Característica C- - \l para el diodo BY 100,

7 M.didor d. capacidad.volta. FA 121 -donde V es el voltaje de polarización aplicado y V b y C o 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 V b, siendo de 1 vole aproximadamente. 4. CONCLUSIONES El medidor ha sido probado con éxito en varios diodos. Se usará ahora 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 de utilizar la indicación de desbalance como una medida de la capacidad y el uso de un registrador gráfico de la curva C-V REFERENCIA 1. H. l(. Henisch, "Rectifying Semiconductor Contaccs" Clarendon Press, Oxford, RESUMEN Se describe una técnica experimental que permite determinar la capacidad 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.