El perfil de capacitancia-voltaje (o perfil C–V , a veces perfil CV ) es una técnica para caracterizar materiales y dispositivos semiconductores. Se varía el voltaje aplicado y se mide y grafica la capacitancia como una función del voltaje. La técnica utiliza una unión metal - semiconductor ( barrera Schottky ) o una unión p–n [1] o un MOSFET para crear una región de agotamiento , una región que está vacía de electrones y huecos conductores , pero que puede contener donantes ionizados y defectos o trampas eléctricamente activos . La región de agotamiento con sus cargas ionizadas en el interior se comporta como un capacitor. Al variar el voltaje aplicado a la unión es posible variar el ancho de agotamiento . La dependencia del ancho de agotamiento con respecto al voltaje aplicado proporciona información sobre las características internas del semiconductor, como su perfil de dopaje y las densidades de defectos eléctricamente activos . [2] , [3] Las mediciones se pueden realizar en CC, o utilizando tanto CC como una señal de CA de pequeña señal (el método de conductancia [3] , [4] ), o utilizando un voltaje transitorio de gran señal . [5]
Muchos investigadores utilizan pruebas de capacitancia-voltaje (C–V) para determinar parámetros de semiconductores, en particular en estructuras MOSCAP y MOSFET. Sin embargo, las mediciones C–V también se utilizan ampliamente para caracterizar otros tipos de dispositivos y tecnologías de semiconductores, incluidos transistores de unión bipolar, JFET, dispositivos compuestos III–V, células fotovoltaicas, dispositivos MEMS, pantallas de transistores de película fina (TFT) orgánicos, fotodiodos y nanotubos de carbono (CNT).
La naturaleza fundamental de estas mediciones las hace aplicables a una amplia gama de tareas y disciplinas de investigación. Por ejemplo, los investigadores las utilizan en los laboratorios de universidades y fabricantes de semiconductores para evaluar nuevos procesos, materiales, dispositivos y circuitos. Estas mediciones son extremadamente valiosas para los ingenieros de mejora de productos y rendimiento que son responsables de mejorar los procesos y el rendimiento de los dispositivos. Los ingenieros de confiabilidad también utilizan estas mediciones para calificar a los proveedores de los materiales que utilizan, para monitorear los parámetros del proceso y para analizar los mecanismos de falla.
Se pueden obtener una multitud de parámetros de dispositivos y materiales semiconductores a partir de mediciones de C-V con metodologías, instrumentación y software adecuados. Esta información se utiliza a lo largo de toda la cadena de producción de semiconductores y comienza con la evaluación de cristales cultivados epitaxialmente, incluidos parámetros como la concentración promedio de dopaje, los perfiles de dopaje y la vida útil de los portadores.
Las mediciones de C–V pueden revelar el espesor del óxido, las cargas de óxido, la contaminación de iones móviles y la densidad de la trampa de interfaz en los procesos de obleas. Perfil de AC–V generado en nanoHUB para MOSFET a granel con diferentes espesores de óxido. Observe que la curva roja indica baja frecuencia, mientras que la curva azul ilustra el perfil de C–V de alta frecuencia. Preste especial atención al cambio en el voltaje de umbral con diferentes espesores de óxido.
Estas mediciones siguen siendo importantes después de que se hayan realizado otros pasos del proceso, como la litografía, el grabado, la limpieza, las deposiciones dieléctricas y de polisilicio y la metalización, entre otras. Una vez que los dispositivos se han fabricado por completo, la elaboración de perfiles C-V se utiliza a menudo para caracterizar los voltajes de umbral y otros parámetros durante la fiabilidad y las pruebas básicas del dispositivo, y para modelar el rendimiento del dispositivo.
Las mediciones de C-V se realizan mediante medidores de capacitancia y voltaje de instrumentación electrónica. Se utilizan para analizar los perfiles de dopaje de los dispositivos semiconductores mediante los gráficos de C-V obtenidos.
Una estructura de metal-óxido-semiconductor es una parte fundamental de un MOSFET , ya que controla la altura de la barrera de potencial en el canal a través del óxido de compuerta.
El funcionamiento de un MOSFET de canal n se puede dividir en tres regiones, que se muestran a continuación y corresponden a la figura de la derecha.
Cuando se aplica un pequeño voltaje de polarización positivo al metal, el borde de la banda de valencia se aleja del nivel de Fermi y los agujeros del cuerpo se alejan de la compuerta, lo que da como resultado una baja densidad de portadores, por lo que la capacitancia es baja (el valle en el medio de la figura a la derecha).
Con una polarización de compuerta aún mayor, cerca de la superficie del semiconductor, el borde de la banda de conducción se acerca al nivel de Fermi, llenando la superficie con electrones en una capa de inversión o canal n en la interfaz entre el semiconductor y el óxido. Esto da como resultado un aumento de la capacitancia, como se muestra en la parte derecha de la figura de la derecha.
Cuando se aplica un voltaje negativo de compuerta-fuente (compuerta-fuente positiva), se crea un canal p en la superficie de la región n , análogo al caso del canal n , pero con polaridades opuestas de cargas y voltajes. El aumento en la densidad de huecos corresponde al aumento en la capacitancia, que se muestra en la parte izquierda de la figura de la derecha.