Revista Mexicana de Fisica 19 (1970) FAI15 - FAI21

MEDIDOR PARA DETERMINAR LA CARACTERISTICACAPACIDAD-VOLTAJE EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

Esteban J. Pérez*

D~ptol d~ Ing~nitTía Eléctrica

Ctntro dt Invtstigación y dt Estudios Avanzados

Instituto Politécnico Nacional

1. INTRODUCCION

F Al15

El efecto capacitivo en dispositivos con semiconductores tales comouniones p -n y metal. semiconductor, estructuras metal. aislante- semiconduc-tor (\lIS) y metal. óxido. semiconductor (\lOS) depende del voltaje de polari-zación y de las propiedades físicas de los elementos (semiconductor~s prin-cipalmente). Así, un estudio experimental de la característica (- V permitedeterminar el valor de varias de esas propiedades físicas, tales como la altu-ra de la barrera de potencial, ancho y perfil de la región de transición, con-centraciones de portadores, carga iónica en el óxido o el aislante, densidadde 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 estudiode los dispositivos con semiconductores.

FA 116

2. TECNICA DE MEDICION

Pérez

La medición de la capacidad de un dispositivo con semiconductores esun problema mayor que la simple medición de una capacidad. Primero, existela necesidad de aplicar un voltaje de corriente directa de polarización simul-táneo a la aplicación de un voltaje de corriente alterna de señal para excitarel circuito de medición. Por otra parte, el dispositivo a medir presenta, ade ..más de la capacidad, una resistencia en paralelo que puede ser relativamentebaja en dispositivos experimentales o a bajas polarizaciones directas, de talforma 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 in-tervalo para el cual son diseñados. Estos efectos y las necesidades particu"lares de voltaje de polarización, nivel de señal e intervalo de capacidades amedir 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. POLARIZDETECTORDE NULOS

2

Fig. l. Principio de medición de capacidad en un diodo semiconductor.

La técnica desarrollada en el presente trabajo consiste en el métodosugerido por Henisch y \\"eeb\ mostrado en el circuito de la Fig. l. Consis-te fundamentalmente en dos ramas RC paralelo, una dada por el circuito equi-valente del dispositivo y otra dada por el resistor R y el capacitor C varia-

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io~'l-""2-¡¡-;.

OASI

O.47}1F

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-15 V

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2.2 K.•••..

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I.S K

400)lF

2.2 K.•.•

47 K•••..

400)lF

l5 K",,4015V

47 KJ\-

OISPOSITIV'A MEDIR

400}lF

u

70mH

O.06).1F

4.7.•.•..

200mV

Fig. 2. Diagrama eléctrico del medidor de capacidad..,.,>---.o

F AI18 Pérez

bIes. Se aplican una polarización V y dos señales alternas V y V de igualmagnitud pero defasadas 1800 y se observa la señal de desbalance2 entre elpunco de unión de las redes Re y tierra, por medio del deteccoc de nulos. Sebalancea el sistema puente por medio de R y e hasta obtener un nulo en el de-tector, pudiendo demostrarse entonces que los valores de R y e Son exacta-mente iguales a los equivalentes del dispositivo bajo estudio. La condiciónde balance de este circuito es insensible a capacitancias parásitas y conduc ..rancias entre pu,ncos vivos y tierra. Es independiente también de los cambiosque la corriente de polarización pueda producir en el transformador del puen-te. Estas propiedades permiten Conectar medidores para observar continua ..mente la señal de corriente alterna y la polarización, sin afectar el punto debalance.

La Fig. 2 muestra el diagrama del medidor diseñado con este princi-pio. La oscilación se logra mediante un diodo túnel IN3718 para una fre-cuencia de 33 Kc/s y se mantiene a un nivel de 20 mY que es el valor gene-ralmente usado para no alterar fundamentalmente el punto de polarización. Laseñal necesaria defasada 1800 se obtiene mediante un inversor de base a ba-se de un amplificador operacional TAA521. Este mismo tipo de amplificadoroperacional es usado para elevar la señal de desbalance, la que finalmentees rectificada y leída en un miliamperÍmetro. Se usa una fuente re~ulada obatería de 12 volts para proporcionar la polarización del dispositivo medido.la señal de radiofrecuencia no pasa a la fuente de corriente directa debido aun choke de radiofrecuencia de 0.1 Hz y un condensador de 400 j.lF bloqueael 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 resis-tor de 2.2. KO en cada rama; este valor es suficientemente bajo para hacerdespreciable 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 undiodo BYI00. Es interesante notar que la Fig. 4 es una comprobación de laley teórica que debe seguir la capacidad en función del voltaje en un diodoabrupto y que tiene la forma

Medidor dl! Capacidad-Voltaje

ePF

40

FAI19

10

•

o 2 , 4 • 6 ,VOLTS

-v•

Fig. 3. Característica e-v para el diodo BY 100.

FAl20

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Pérez

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Fig.4. Característica C- ~ - \l para el diodo BY 100,

M.didor d. capacidad.Volta¡. FA 121

-donde V es el voltaje de polarización aplicado y Vb y Co una constante quedepende de las concentraciones de portadores y de la barrera de potencial, laconstante dieléctrica y el ancho de la región de transición. Un dac') que pue-de obtenerse inmediatamente de la F ig. 4 es Vb, siendo de 1 vole aproxima-

damente.

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 plana-res y estructuras MOS realizados en el Laboratorio de Dispositivos Semicon-

ductores.Se estudia también la posibilidad de utilizar la indicación de desba-

lance 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, 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 experimentalespermite obtener información acerca de la barrera .:le potencial en la unión, elancho de la región de transición, el máximo campo eléctrico interno y lasconcentraciones de portadores.