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1/4表面势垒二极管的伏安特性（理想因子）的测量一、实验目的1、测量金属半导体表面势垒二极管的伏安特性2、用伏安特性法测量n因子及金属半导体接触势垒高度二、实验原理如果n型半导体同一个功函数比它大的金属接触，由于WBWn（WB是金属的功函数，Wn是n型半导体的功函数），电子在WBn=WB-Wn的作用下，从半导体内跑到金属中去。达到平衡时，金属的费米能级（EF）B同半导体的费米能级(EF)n相等，半导体表面因缺少了电子而带正电，金属表面则因多余电子而带负电，在金属和半导体之间就有接触电势差。当金属同半导体的接触距离等于零时，形成的势垒主要在半导体中靠近表面的一个区域内，因为电子从半导体跑到金属后，金属所带的负电荷和半导体所带的正电荷相等，半导体中的正电荷就是电离的施主杂质，它的浓度比金属中载流子的浓度低好几个量级。在金属中，积累的负电荷集中在表面很薄的一层（大约几埃距离），而半导体中这电荷层要扩展到几千埃，这个区域叫做空间电荷区。金属同半导体的接触电势差主要降在这个区域中。在空间电荷区中电场的方向是半导体指向金属表面，它阻挡电子继续从半导体跑到金属中去。从能量来看，电子在空间电荷取的电势能是随距离变化的，越是接近表面，势能越高。如图9-1所示。我们定义Φn为势垒高度，它是决定金属半导体接触的一个重要参量。本实验就是用伏安特性法来确定势垒高度。图9.1金属半导体接触能带图2/4实际的金属-半导体接触还要考虑表面态和界面态的影响，他们的作用可参阅有关的讲义，这里就不再重复。表面势垒二极管的伏安特性公式在外加正向偏压比较大时为：qv/kT0eII（9-1）这是理想的伏安特性公式，但实际的伏安特性没有如此理想。这主要是由下面三点原因造成的。1、n因子偏离；2、正向串联电阻大；反向漏电流大。实际测量得到的关系是：qv/nkT0eII（9-2）在指数项中指数的分母上多了一个因子n，n一般比1略大一些，从正向特性实际表达式中可以看出，正向电流随电压的上升比理想的情况来的缓慢些，n因子可以由伏安特性的测量中求得。三、测量方法测试仪器图如图9.2所示。图9.2测试仪器通过半导体特性图示仪读取几组I和V值，在半对数纸上作图，可得直线。如图9-3所示。3/4图9.3lnI—V曲线取I-V线上距离比较远的任意两点，设他们的坐标分别是(V1,I1)及(V2,I2)，由于Y轴（电流轴）是对数坐标，因此求斜率时，电流要取对数，即斜率m是：2121ln-lnm=-IIVV（9-3）(9-2)式两边取对数：lnI=lnI0+qV/nkT，在lnI~V曲线中直线的斜就是q/nkT，即m=q/nkT.2121ln-lnm=-IVVV（9-4）因此，从直线的斜率就可以求得n因子。2nqn=expkBIASTT（）（9-5）式中A是理查逊常数，A=8.7安/厘米2；S是势垒二极管的结面积，以厘米2为单位；T是测试的温度，用绝对温度表示，即摄氏读数加上273度；k等于8.63×10-6电子伏特/度；ΦBn是势垒高度。图上读得截距是I0。则ΦBn可表示成：2kn=lnqkTASTBT（）（9-6）必须注意（9-4）及（9-6）式取的是自然对数，常用对数与自然对数的关系是lnA=lgA/lge。四、实验步骤1、半导体特性图示仪接电源，电源开关接通，并校正待用。2、按上图数据调好图示仪。3、把表面势垒二极管接入电路，二极管正极接C，负极接E。4、将Y轴集电极电流调整到0.5mA/度，X轴集电极电压调整到0.05V/度，峰值电压范围是0-20V，选择NPN管，选中单管按钮。慢调Y轴处的移位按钮和X轴处的B移位，使光标处于屏幕中心。4/45、在0-4V之间旋转集电极峰值电压，图示仪上就会出现二极管的I-V曲线。（通过调节集电极电压，调试出X轴的光标线）6、在上述值处，改变X轴和Y轴的分度，调节集电极峰值电压。读取多组I-V值，在半对数坐标纸上画lnI—V曲线。7、通过上述曲线的斜率，可以求得理想因子。五、思考题1、金属和半导体接触时，为什么在半导体表面会产生空间电荷层？2、表面势垒二接管外加电压后，势垒有何变化？电流是如何流动的？3、实际的金半接触伏安特性与理想的有何区别？4、实际的金半接触势垒高度同简单的模型有什么偏离？5、本实验为什么要用半对数纸作图？I如何选取比较合理？6、为什么正向连接的二极管，在小电流时阻抗很大？而在大电流的时候阻抗很小？六、测量过程1、调节电压和电流的量程；2、调节二极管两端的电压，分别读取两组数据(V1,I1)及(V2,I2)。V1=0.25V,I1=1mA；V2=0.3V,I2=5mA；2121ln-lnm=-IVVV求出m=32.16；由m=q/nkT，n=。计算出n=1.2.七、数据处理斜率m===34.657又m=q/nkT，n=mkT/q=34.657x8.63xx273/1.6x=5.10x