微電子基礎(chǔ)實驗2015版

1、微電子基礎(chǔ)實驗實驗指導(dǎo)書孫顯龍 主編二一五年四月半導(dǎo)體導(dǎo)電類型的觀測一、實驗?zāi)康模喊雽?dǎo)體材料有電子和空穴兩種導(dǎo)電機構(gòu)，N型硅以電子導(dǎo)電為主，P型硅以空穴導(dǎo)電為主。半導(dǎo)體導(dǎo)電類型測量的實驗?zāi)康木褪且_定被測樣品（單晶硅片）是以電子導(dǎo)電為主，還是以空穴導(dǎo)電為主，從而確定樣品的導(dǎo)電類型。二、實驗原理：在半導(dǎo)體材料中，載流子的濃度隨溫度升高而增加。如圖1所示，在半導(dǎo)體表面接觸一個有一定溫度的熱探針和另一個為室溫的冷凝針，在半導(dǎo)體中會產(chǎn)生熱電勢，其大小取決于導(dǎo)電類型、載流子濃度和溫差。N型和P型材料的電勢方向是相反的。對于P型硅熱探針附近的多數(shù)載流子空穴增加形成濃度梯度，引起空穴由熱端向冷端擴散，因此，

2、其熱電勢是熱端為負(fù)，對N型硅則相反，熱端為正，在兩探針外接上電流表，則可根據(jù)電流方向判斷硅的導(dǎo)電類型。三、實驗內(nèi)容：1、掌握半導(dǎo)體導(dǎo)電類型的冷熱探針測量法原理及方法。2、熟悉測量前對半導(dǎo)體被測量表面的處理方法。3、測量硅單晶樣品的導(dǎo)電類型。四、實驗方法和步驟：圖1 冷熱探針測量原理圖儀器測量：接通儀器電源，加熱熱探針，注意熱探針要放好位置，防止燒壞導(dǎo)線和其他物品。冷熱探針同時垂直壓于單晶硅表面，觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向判斷硅的導(dǎo)電類型。自選方法：自制冷熱探針（如用電烙鐵做熱探針），選用微安電流表連接成測量電路，測量硅單晶的導(dǎo)電類型。也可將采集的信號通過放大后再用儀器或儀表觀察導(dǎo)電類型。五、實驗

3、要求：（略）單晶硅電阻率的測試一、實驗?zāi)康模航饘俨牧系碾娮杪士捎萌f用表測量，對于半導(dǎo)體材料這樣測量則會帶來較大誤差。因為萬用表的金屬表筆和半導(dǎo)體接觸時有很高的接觸電阻，有時接觸電阻會遠(yuǎn)大于被測樣品本身的電阻。此外，當(dāng)測量電流較大時，通常在接觸處會引起非平衡載流子的注入，將導(dǎo)致材料電阻率的變化。測量半導(dǎo)體的電阻率的方法很多。如二探針法、擴展電阻法和四探針法等，而四探針法是目前廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)方法。它具有設(shè)備簡單，操作方便，精度較高，對樣品的幾何形狀無嚴(yán)格要求等優(yōu)點。本實驗的目的是掌握四探針法測量電阻率和薄層電阻的原理和方法。并能針對不同幾何尺寸的樣品，掌握其修正方法。了解電阻率準(zhǔn)確測量的各種因素及

4、改進措施。二、實驗原理：1、采用四探針法測量半導(dǎo)體材料電阻率。設(shè)被測樣品電阻率r均勻，樣品幾何尺寸相對測量探針的間距可看作半無限大。引入點電流源的探針其電流強度為I，則產(chǎn)生的電力線有球面對稱性，即等位面為一系列以點電流源為中心的半球面，如圖1所示。圖1 半無窮大樣品上點電流源的半球等位面對于均勻材料，電流密度j的分布是均勻的，若以r為半徑的半球面上，則由此可得半徑為r的等位面上的電場強度E，取距離點電極無窮遠(yuǎn)處的電位為零，并利用可得上式就是半無限大均勻樣品上離點電流源距離為r的點的電位與探針流過的電流和樣品電阻率的關(guān)系式，它代表了一個點電流源對距離r處的點的電勢的貢獻。實際測試用的四探針分布如

5、圖2所示。 任意位置的四探針 直線型的四探針 圖2 四探針分布示意圖測試時四探針位于樣品中央，排列成直線，間距為S，點電流從探針 l流入，從探針4流出，則可以認(rèn)為1、4探針是點電流源，代入上式后可得探針2和探針3處電位、， 從而求出探針2、3間電壓， 則，樣品的電阻率為： 四探針測試儀探針間距S=1mm則上式變?yōu)閷嶋H測量時調(diào)解電流I的值為I=2=6.28，單位是mA，則單位是。樣品厚度和邊緣與探針間距大于4S時，可認(rèn)為樣品幾何尺寸與探針間距為無限大，即可滿足測量精度要求。這樣測量的電壓數(shù)值，即為電阻率值的有效數(shù)字，電流I取不同單位時，的有效數(shù)值倍率如表1所示表1電流I取不同單位時所對應(yīng)電阻率的

6、有效數(shù)值I（mA）(mV)1101001000 0.0628101001000100000.62811010010006.280.111010062.80.010.1110當(dāng)不滿足上述條件而用上述方法測量時，電阻率公式要修正為：。其中，為修正系數(shù)，與樣品尺寸及所處條件有關(guān)。2、采用四探針法測量擴散層方塊電阻方塊電阻是指表面為正方形的薄層沿表面方向所呈現(xiàn)的電阻，單位為。一般在測擴散層方塊電阻時，擴散層與襯底間的PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，可以認(rèn)為擴散層與襯底間相互絕緣。顯然，擴散層方塊電阻可表示為：當(dāng)擴散層厚度遠(yuǎn)小于探針間距S、且表面橫向尺寸遠(yuǎn)大于S時，經(jīng)和前面類似推導(dǎo)得到：上式即為用四探針法測方塊電阻

7、的計算公式，仿照前例取I=4.53，則。在測量時，也要求樣品邊緣與探針間距大于4S，否則還需進行修正。 雙電測組合四探針法采用了以下二種組合的測量模式（見圖2）。V1234V1234I13V24組合I14V23組合圖2 雙電測組合四探針法將直線四探針垂直壓在被測樣品表面上分別進行I14V23和I13V24組合測量，測量過程如下： 1、進行I14V23組合測量： 電流I從1針4針，從2、3針測得電壓V23+； 電流換向，I從4針1針，從2、3針測得電壓V23-； 計算正反向測量平均值：V23(V23+ V23- )/2； 2、進行I13V24組合測量： 電流I從1針3針，從2、4針測得電壓V24

8、+； 電流換向，I從3針1針，從2、4針測得電壓V24-； 計算正反向測量平均值：V24(V24+ V24- )/2；3、計算（V23/V24）值：（以上V23、V24均以 mV 為單位）按以下兩公式計算幾何修正因子：若 1.18（V23 /V24）1.38 時；K14.69625.173(V23/V24)7.872(V23/V24)2；若 1.10（V23/V24）1.18 時；K15.8526.15(V23/V24)7.872(V23/V24)2 ；雙電測組合四探針法改變點電流的流入探針，測試樣品形狀的影響會反映到兩次電壓的比值上，進而通過計算得到修正系數(shù)，直接將修正系數(shù)與測量結(jié)果相乘，省

9、去了我們根據(jù)樣品形狀查修正系數(shù)表再得到測量結(jié)果的麻煩過程。三、實驗內(nèi)容：獨立完成所給硅樣品電阻率的測試，在樣品的中心位置選擇不同的6點進行測試，得到測試結(jié)果并記錄。 RTS-9型雙電測四探針測試儀的使用見用戶手冊。四、實驗要求： 1、了解用四探針法測量半導(dǎo)體材料的電阻率的原理。 2、掌握用雙電測四探針測量半導(dǎo)體材料電阻率的方法。3、在所給樣品的不同點測試，至少6點，測試完畢，記錄各點值，并計算最大值、最小值、最大百分變化率、平均百分變化率和徑向不均勻度E。其中“最大百分變化”、“平均百分變化”、“徑向不均勻度E”表示如下最大百分變化()=l00平均百分變化()=100%徑向不均勻度E（%）=1

10、00%上式中、分別為測量的電阻率最大值與最小值，單位：cm，為第1、2點（即圓片中心測量點）測量平均值，單位：cm，為第3、4、5、6點的測量平均值單位：cm。MOS結(jié)構(gòu)C-V特性測試一、實驗?zāi)康呐c意義：本實驗是半導(dǎo)體物理課程中的重要基礎(chǔ)性實驗。通過實驗全過程的操作及數(shù)據(jù)處理，使學(xué)生加深對所學(xué)“半導(dǎo)體物理學(xué)”中半導(dǎo)體表面理論的理解，特別是對半導(dǎo)體表面電場效應(yīng)和硅-二氧化硅系統(tǒng)性質(zhì)的理解。利用MOS結(jié)構(gòu)高頻電容-電壓（C-V）特性曲線的測試結(jié)果，不但可以獲得MOS結(jié)構(gòu)的多個參數(shù)：二氧化硅層的厚度，襯底硅摻雜類型、濃度等，還可對二氧化硅層中可動電荷與固定電荷密度進行分析。二、實驗原理：+MOS 結(jié)

11、構(gòu)如圖1(a)所示，它類似于金屬和介質(zhì)形成的平板電容器。但是由于半導(dǎo)體中的電荷密度比金屬中的小得多，所以充電電荷在半導(dǎo)體表面形成的空間電荷區(qū)有一定的厚度（在微米量級），而不象金屬那樣，只集中在一薄層（約0.1nm）內(nèi)。半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的厚度隨外加偏壓VG而改變，所以MOS電容C是微分電容。(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 等效電路 (c) P-SiMOS理想C-V曲線圖1 MOS結(jié)構(gòu)及其C-V特性 （3-1）式中： QG是金屬電極上的電荷面密度；A是電極面積。理想情形可假設(shè)MOS結(jié)構(gòu)滿足下列條件：金屬-半導(dǎo)體間的功函數(shù)差為零； SiO2為理想絕緣層而且其中沒有電荷； SiO2與半導(dǎo)體界面處不存在

12、界面態(tài)。偏壓VG一部分降在SiO2上，記為Vo；一部分降在半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)，記為Vs，即： （3-2）Vs又稱為表面勢。考慮到半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電荷和金屬電極上的電荷數(shù)量相等、符號相反，有: （3-3）式中：Qs為半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電荷面密度。將（3-2）、（3-3）代入（3-1）式，有： （3-4）式（3-4）表明MOS電容是C0和Cs串聯(lián)而成，其等效電路為圖3-1 的b所示。其中Co是以SiO2為介質(zhì)的氧化層電容，它的數(shù)值不隨VG 改變，Cs是半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電容，其數(shù)值隨VG改變。因此，有： （3-5） （3-6）式中: 0=8.85*10-12 F/m、r0= 3.9分別為真空

13、介電常數(shù)和二氧化硅相對介電常數(shù)。由式（3-6）看，Cs的大小主要由空間電荷區(qū)單位面積電量Qs隨表面勢Vs的變化而定。P型硅的理想MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性曲線如圖3-1 的c所示，V軸表示外加偏壓，C軸是電容值。最大電容CmaxCo，最小電容Cmin和最大電容Cmax之間有如下關(guān)系： （3-7）式中：N為Si襯底參雜濃度；rs=11.7，為半導(dǎo)體的相對介電常數(shù)；KT（室溫）=0.0259eV； q=1.6*10-19 C，為電子荷電；ni=1.45*1010/cm3，為Si本征載流子濃度。當(dāng)Vs=0時，半導(dǎo)體表面能帶平直，稱為平帶。平帶時，對應(yīng)的偏壓稱為平帶電壓，記為VFB。顯然，對于理想MOS

14、結(jié)構(gòu)，VFB=0。此時，對應(yīng)的電容稱為平帶電容，記為CFB，歸一化平帶電容有如下關(guān)系： （3-8）考慮實際的MOS結(jié)構(gòu)，由于SiO2中總是存在電荷（通常都為正電荷），且金屬-半導(dǎo)體接觸的功函數(shù)并不相等，兩者功函數(shù)差記為Vms。因此，VFB也不為零。若不考慮界面態(tài)，有下式： （3-9） 對于鋁柵p-Si MOS結(jié)構(gòu)，Vms大于零，Q0也大于0（正電荷），所以VFB0。如果氧化層足夠純凈，則可認(rèn)為SiO2中只存在固定電荷，由式（3-9）可得： （3-10） （3-11） 式中：Qf是固定電荷面密度。若Vms已知，則可確定二氧化硅中固定電荷面密度： (3-12)三、 實驗內(nèi)容采用高頻C-V測試方法，

15、測量MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線；并通過數(shù)值計算得到MOS結(jié)構(gòu)樣品的多個特性參數(shù)：襯底硅摻雜類型、濃度，二氧化硅層的厚度，以及二氧化硅層中固定電荷的面密度。四、實驗儀器與樣品高頻C-V特性測試儀，計算機控制系統(tǒng)，打印機，探針臺，顯微鏡。高頻C-V特性測試系統(tǒng)如圖2。圖2 高頻C-V特性測試系統(tǒng)示意圖另有MOS結(jié)構(gòu)芯片樣品若干片。五、實驗步驟準(zhǔn)備： 按要求，連接探針臺、C-V特性測試儀及計算機。開計算機進入C-V測試狀態(tài)。測量： 將樣片放在探針臺上接好，進行測試，打印測試結(jié)果；在顯微鏡下測量被測MOS結(jié)構(gòu)的平面尺寸。六、數(shù)據(jù)處理由C-V曲線確定MOS結(jié)構(gòu)芯片襯底摻雜類型。利用公式（3-5）和（3-

16、7）計算二氧化硅層厚度d0及襯底摻雜濃度N。利用公式（3-8）計算平帶電容CFB，由平帶電容結(jié)合所測得曲線得到平帶電壓VFB。利用（3-12）計算得到二氧化硅層中固定電荷面密度Qf。七、討論題1、所測曲線及數(shù)據(jù)與理論是否相符，如不相符分析原因?2、如果Qf值過大，說明什么問題？ 半導(dǎo)體霍爾遷移率測試實驗一、實驗?zāi)康模罕緦嶒炌ㄟ^霍爾系數(shù)和電阻率的測量達到測試霍爾遷移率的目的。測量半導(dǎo)體霍爾系數(shù)具有十分重要的意義。根據(jù)霍爾系數(shù)符號可以判斷材料的導(dǎo)電類型；根據(jù)霍爾系數(shù)及其與溫度關(guān)系，可以計算載流子濃度以及載流子濃度與溫度的關(guān)系，由此可以確定材料禁帶寬度和雜質(zhì)電離能；用微分霍爾效應(yīng)法可以測縱向載流子濃

17、度分布，測低溫霍爾效應(yīng)可以確定雜質(zhì)補償度?；魻栃?yīng)是半導(dǎo)體磁敏器件的物理基礎(chǔ)。在霍爾系數(shù)的幾種測量方法中，由范德堡提出的測量方法是一種被廣泛采用且具有實際意義的重要方法一范德堡法。本實驗要求掌握用范德堡法測量霍爾系數(shù)和電阻率的基本原理和測試方法；確定樣品的導(dǎo)電類型，求出霍爾遷移率及載流子濃度。二、實驗原理1. 霍爾系數(shù)測量對如圖1所示的矩形半導(dǎo)體薄片樣品，沿x方向通以均勻電流I，沿z方向加有均勻磁場應(yīng)強度B的磁場，則在y方向產(chǎn)生電勢差。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。所產(chǎn)生電勢差用表示，稱為霍爾電壓，其相應(yīng)電場稱為霍爾電場。實驗表明，在弱磁場下，同J(電流密度)和B成正比，式中為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)。

18、 圖1 半導(dǎo)體中霍爾效應(yīng)示意圖在不同的溫度范圍，有不同的表達式。在本征電離完全可以忽略的強電離區(qū)，且主要有一種載流子的情況，當(dāng)不考慮載流子速度統(tǒng)計分布時，對空穴濃度為p的P型樣品=4.1式中q為電子電量，對電子濃度為n的N型樣品=4.2 當(dāng)考慮載流子速度統(tǒng)計分布時，上二式應(yīng)分別修改為4.34.4 式中mH為霍爾遷移率，m為電導(dǎo)遷移率。對簡單能帶結(jié)構(gòu)稱為霍爾因子，其值與半導(dǎo)體內(nèi)的散射機制有關(guān)，在一般粗略計算時，在半導(dǎo)體中主要由一種載流子導(dǎo)電的情況下，電導(dǎo)率表示式為：和由式（4.3）和（4.4）可得 ，。若直接用測得的，I，B來表示霍爾電場，則對N型樣品有4.5式中d為樣品厚度，各物理量單位分別為

19、：取V， I取A，B取T，d取cm，為cm/C，是單位變換時引入的。 以上討論只適用于雜質(zhì)處于強電離區(qū)范圍，在溫度較高，半導(dǎo)體進入過渡區(qū)及本征導(dǎo)電范圍，則必須考慮樣品中同時存在兩種載流子的影響。 2. 范德堡法測量電阻率 范德堡法要求被測量樣品為一厚度均勻，無空洞的薄片，在樣品四周制作四個極小的歐姆接觸點A、B、C、D如圖2所示 (a) (b)圖2 范德堡法測量電阻率示意圖如圖2(a)所示，從A-B通以電流，測量C-D間的電位差并定義“電阻”同樣，從B-C通以電流測量D、A間的電位差，并定義另一“電阻” 范德堡導(dǎo)出（見附錄）樣品電阻率與“電阻”、的關(guān)系為： 4.6即 4.7式中，d為片狀樣品的

20、厚度，是與有關(guān)的修正因子，稱為范德堡因子，它滿足如下關(guān)系與的關(guān)系如圖3所示，其相應(yīng)值列于表1圖3范德堡因子f與關(guān)系表1范德堡因子f與關(guān)系1.01.00001.40.99041.80.97111.10.99931.50.98601.90.96751.20.99721.60.98132.00.96031.30.99411.70.97632.10.9547只要測出、由之值從表1查得對應(yīng)的的值代入式（4.7）即可得出樣品的電阻率。3.實驗操作（1）電阻率的測量如果電流則求函數(shù)，只要查表1，再代入式（4.7）即可。（2）霍爾系數(shù)的測量在樣品平面加有垂直磁場的情況下，如圖2（b）所示從A到C通以電流，測量

21、B、D間的電位差，若電極制作的很理想（即不加磁場有電流從A到C流過時=0），則即為霍爾電壓，因此霍爾系數(shù)為4.8（3）測量誤差及其消除實際測量采用矩行樣品，在矩形的四邊上制做四個電極且接觸面積為無限?。粯悠泛穸染鶆?，無空洞。 在霍爾系數(shù)測量中，伴隨有其它的電流磁效應(yīng)，熱磁效應(yīng)，以及附加電勢差等副效應(yīng)，分別說明如下： 艾廷豪森效應(yīng)：當(dāng)沿樣品的X方向通電流I，沿Z方向加磁場B時，在Y方向出現(xiàn)溫度差。根據(jù)溫差電效應(yīng)將在Y方向產(chǎn)生電勢差, 與Y和B成正比，且其極性總是與相同。 能斯脫效應(yīng)：由于兩電流電極的接觸電阻不同，電流流過時產(chǎn)生的焦耳熱不同，造成沿電流方向(X方向)的溫度差。電子將由熱端向冷端擴散

22、，在Z方向上存在磁場的情況下，將于Y方向上產(chǎn)生電勢差。的極性同磁場的方向有關(guān)，于電流的方向無關(guān)。 里紀(jì)勒杜克效應(yīng)：當(dāng)沿樣品的X方向有熱流流過（X方向電流產(chǎn)生的熱)，在Z方向存在磁場時，沿Y方向出現(xiàn)溫度差。從而在Y方向產(chǎn)生溫差電勢差。的極性與磁場方向有關(guān)，與電流方向無關(guān)。 電極不等位：在不加磁場的情況下，如圖4-2(b)所示，電極A 、C間有電流流過時，電極B、D間會有一電勢差Uo，Uo極性與電流方向有關(guān)。這是由于電極B、D不在等位點上所致。 環(huán)境溫度不均勻：當(dāng)樣品需要加熱時，若樣品溫度不均勻?qū)⒃诨魻栯姌O間產(chǎn)生電勢差，的極性與電流和磁場的方向均無關(guān)。 由上可見，在測量時、將疊加起來，影響測量結(jié)果

23、。但可利用各量的極性與電流和磁場方向有關(guān)系，測量中改變電流與磁場，把、的影響消除。與的極性相同，但它一般很小，可略去不計。若以，表示磁場的正，反方向，表示電流正，反方向，則對應(yīng)磁場和電流的方向，測量結(jié)果有：（、）：=+（、）：=（、）：=（、）：=由上四式可得：+=4.9 三、實驗內(nèi)容和方法 對給定的樣品，用范德堡法測量出霍爾電壓、電阻率和霍爾遷移率。計算出相關(guān)的參數(shù)值?；魻栯妷旱臏y量：按照圖4連接好電路，將樣品放在磁場中，根據(jù)上述理論，測量出、計算出和相關(guān)的參數(shù)值。圖4測量霍爾系數(shù)電壓 電阻率的測量：按照圖5連接好電路，根據(jù)上述的電阻率測量的理論，進行測量計算出數(shù)據(jù)。圖5測量電阻率電路四、實

24、驗要求 認(rèn)真做實驗的每一環(huán)節(jié)，記錄全部過程(使用的儀器儀表，測量的方法和數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的誤差和原因等；根據(jù)實驗的測量數(shù)據(jù)計算出霍爾系數(shù)RH,樣品的電阻率和霍爾遷移率H。雙極型晶體管直流參數(shù)的測量一、實驗?zāi)康?、了解半導(dǎo)體特性圖示儀的基本原理。2、學(xué)習(xí)使用半導(dǎo)體特性圖示儀測量晶體管的特性曲線和參數(shù)。二、實驗原理任何一個半導(dǎo)體器件，使用前均應(yīng)了解其性能，對于晶體三極管，只要知道其輸入、輸出特性曲線，就不難由曲線求出它的一系列參數(shù)，如輸入、輸出電阻、電流放大倍數(shù)、漏電流、飽和電壓、反向擊穿電壓等。但如何得到這兩組曲線呢？ 圖1 半導(dǎo)體特性圖示儀測量晶體管輸出特性曲線基本原理圖 圖中Q1代表被測的晶體管，

25、Rb、Eb構(gòu)成基極偏流電路。取Eb>>Vbe,可使Ib =(Eb- Vbe)/ Rb基本保持恒定。在晶體管c-e之間加入一鋸齒波掃描電壓，并引入一個小的取樣電阻Rc，這樣加到示波器上X軸和Y軸的電壓分別為 VX =Vce =Vcc +VR= Vcc Ic Rc VccVY =Ic Rc Ic當(dāng)Ib恒定時，在示波器的屏幕上可以看到一根IcVce的特性曲線，即晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線。為了顯示一組在不同Ib的特性曲線簇Ici=(Ib, Vce)應(yīng)該在X軸的鋸齒波掃描電壓每變化一個周期時，使Ib也有一個相應(yīng)的變化，所以應(yīng)將圖1中的Eb改為能隨X軸的鋸齒波掃描電壓變化的階梯電壓。每一個階

26、梯電壓能為被測管的基極提供一定的基極電流，這樣不同的階梯電壓Eb1、Eb2、Eb3 就可對應(yīng)的提供不同的恒定基極注入電流Ib1、Ib2、Ib3。只要能使每一階梯電壓所維持的時間等于集電極回路的鋸齒波掃描電壓周期，如圖2所示，就可以在T0時刻掃描出Ic0=(Ib0, Vce)曲線，在T1時刻掃描出Ic1=(Ib1, Vce)曲線。通常階梯電壓有多少級，就可以相應(yīng)地掃描出有多少根輸出曲線。晶體管特性圖示儀是根據(jù)上述的基本工作原理而設(shè)計的。它由基極正負(fù)階梯信號發(fā)生器，集電極正負(fù)掃描電壓發(fā)生器，X軸、Y軸放大器和示波器等部分構(gòu)成。圖2基極階梯電壓與集電極掃描電壓間關(guān)系三、實驗的內(nèi)容和方法下面我們分別用

27、BJ4814型半導(dǎo)體圖示儀測試NPN型晶體管3DG6的參數(shù)。3DG6晶體管是NPN外延平面型硅管，用于中高頻放大及振蕩電路中。其主要參數(shù)見附表。1、hFE的測量測出共發(fā)射極的特性曲線并記錄曲線，在測試條件Vce=10V，Ic=3mA時，計算出hFE的值。hFEIc/Ib2、輸入阻抗的測試圖3晶體管輸入特性的測試測出晶體管輸入特性曲線并記錄曲線，在測試條件Vce=5V，Ib=40A時的輸入阻抗，計算出輸入阻抗的數(shù)值。晶體管的輸入特性對于共發(fā)射極電路來說是指Ib和Vbe的關(guān)系。以NPN管為例，將被測管E、B、C極分別插入圖示儀插座E、B、C，然后加大“峰值電壓”，便可得到如圖3所示的共發(fā)射極組態(tài)下

28、的輸入特性曲線。例如，若要測出當(dāng)Vce5V，Ib=40A時的輸入阻抗，可以調(diào)節(jié)“峰值電壓”旋鈕使Vce5V,“階梯選擇”置10A/級，從圖3右邊一根曲線上，可自下而上數(shù)到第四個亮點（Q點），就對應(yīng)于Ib=40A的一點，然后過Q點作切線，以切線為斜邊作直角三角形，即可求出待測的輸入阻抗的數(shù)值。3、飽和壓降的測試 測出Ib=1mA，Ic=10mA時的VCES值。 晶體管的飽和降壓VCES是指在給定的Ib和Ic的條件下，晶體管工作在飽和狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間的電壓降。根據(jù)飽和壓降的定義，當(dāng)給定Ib和Ic的數(shù)值后，可以從晶體管的飽和壓降曲線上找出相應(yīng)的飽和壓降VCES。Ib和Ic的取值由測試條件規(guī)定

29、，一般在測試中取Ic10Ib時的VCE值作為VCES。4、反向漏電流和反向擊穿電壓的測試根據(jù)測試條件測出下列反向漏電流和反向擊穿電壓VCB=10V 時ICBOVCE=10V 時ICEOVEB=2V 時IEBOIC=100uA 時V(BR)CBOIC=100uA 時V(BR)CEOIE=100uA 時V(BR) EBO將晶體管按規(guī)定的引腳插入之后，逐漸加大反向峰值電壓，即可觀察到晶體管反向伏安特性曲線，進而可測出反向漏電流的大小。當(dāng)反向電壓增加到某一數(shù)值之后，反向電流迅速增大，這就是擊穿現(xiàn)象。通常規(guī)定晶體管兩級之間加上反向電壓，當(dāng)反向漏電流達到某一規(guī)定值時所對應(yīng)的電壓值即為反向擊穿電壓。晶體管的

30、反向漏電流和反向擊穿電壓有三種情況：ICBO, V(BR)CBO：e極開路時c-b之間的反向漏電流和反向擊穿電壓；IEBO, V(BR)EBO：c級開路時e-b之間的反向漏電流和反向擊穿電壓；ICEO, V(BR)CEO：b級開路時c-e之間的反向漏電流和反向擊穿電壓；根據(jù)這些參數(shù)的定義，測試時分別將晶體管c、b級，e、b級和c、e級插入圖示儀上的插孔c、e，然后加上反向電壓，就可進行測量。5、正常管和失效管輸出特性曲線的比較正常晶體管的輸出特性曲線應(yīng)該在起始部分電流上升很快，然后變化比較平坦，即Ib受Vce變化影響較小，表明輸出阻抗很大。線間的間隔比較均勻，表明電流增益基本保持不變。從圖形上

31、計算出的電流增益hFE比較合乎規(guī)格,晶體管的擊穿電壓較高。晶體管出現(xiàn)不正常的原因很多，故輸出特性曲線的形狀各異，一些不正常的輸出特性曲線舉例如下：輸出特性曲線疏密不均，特別是在Ib較小時的幾根曲線靠的很近，甚至合并在一起，如圖4（a）所示。這種晶體管在小注入時hFE很小，放大作用差，故對小信號工作時放大不利，容易引起非線性失真。輸出特性曲線傾斜而且發(fā)散，但零注入線（Ib=0）仍是平的，如圖4(b)所示。這種管子hFE隨VCE的增大而增加,擊穿電壓較低，輸出阻抗也低，放大信號的線性作用差，失真大，工作不穩(wěn)定。特性曲線傾斜，而且零注入線也變成傾斜，如圖4(c)所示這種晶體管不僅輸出阻抗低、線性差，

32、而且反向漏電電流大。曲線的上升部分緩慢，如圖4(d)所示。這種晶體管飽和壓降太大，不能用于開關(guān)工作，放大工作范圍小。 圖4 幾種不正常晶體管的輸出特性曲線附表：3DG6的參數(shù) 場效應(yīng)晶體管部分參數(shù)的測量 場效應(yīng)晶體管從結(jié)構(gòu)上分為有兩種類型，結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和MOS型場效應(yīng)管（MOSFET） 。由于他們有很高的輸入阻抗，在電子技術(shù)中是必不可少的器件。因此，對其基本參數(shù)直流輸入特性，直流輸出特性，開啟電壓，漏源擊穿電壓，跨導(dǎo)等應(yīng)有一定的了解一、實驗?zāi)康?、熟悉場效應(yīng)管。2、學(xué)會測量場效應(yīng)晶體管的部分參數(shù)。3、鞏固所學(xué)過的有關(guān)理論知識。二、實驗原理場效應(yīng)管的測試與晶體管的測試類似，其管腳的接

33、法一般與晶體管對應(yīng)如下：場效應(yīng)晶體管漏極對應(yīng)于雙極型晶體管集電極，柵極對應(yīng)于基極，源極對應(yīng)于發(fā)射極。測試時應(yīng)注意場效應(yīng)管柵極輸入的是電壓量，所以一般在BJ4814半導(dǎo)體特性圖示儀的B、E間并聯(lián)一個電阻，相當(dāng)于把階梯電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡A梯電壓信號(原電壓的范圍太窄)。三、實驗內(nèi)容和方法我們選3DJ6場效應(yīng)晶體管作為測試器件，3DJ6場效應(yīng)晶體管是N溝道結(jié)型耗盡型場效應(yīng)管，主要用于直流放大、線性放大和斬波電路等，其參數(shù)檢附表1、 輸出特性及IDss、gm的測試測出輸出特性曲線，并記錄曲線。在VDS=10V時測IDSS。在VDS=10V，IDS=3mA，時測gm。 圖1 場效應(yīng)管部分輸出特性曲線(負(fù)向)

34、 IDSS(飽和漏電流)的測量，圖21中的一根曲線(最上面一條)，是Vgs=0時特性曲線，按測試條件，對應(yīng)X軸電壓VDS=10V，測得Y軸電流即為IDSS,還可以把階梯作用開關(guān)扳至關(guān)，即可直接顯示Vgs=0時的一根曲線，直接讀值。gm跨導(dǎo)的測量：gm=I/V。 2、轉(zhuǎn)移特性及其Vp的測試 測出轉(zhuǎn)移特性曲線，并記錄。在測試條件VDS=10V，IDS=10uA時的VP。 圖2 場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線從圖22中可讀出夾斷電壓Vp，測試結(jié)束將峰值電壓調(diào)至零。2、 擊穿特性BVGS、BVDS的測試在測試條件Igs=-1uA 時測BVGS在測試條件Ids=-1uA 時測BVDS3DJ6的BVGS的測試如同測

35、試晶體管的BVEBO，調(diào)節(jié)峰值電壓即得如圖23所示的曲線，根據(jù)測試條件可讀出BVGS。 圖3 場效應(yīng)管擊穿特性曲線 3DJ6的BVDS測試同測試晶體管的BVCEO類似，調(diào)節(jié)峰值電壓即得如圖24所示的曲線，即可讀出BVDS值。 圖4 場效應(yīng)管測BVDS時曲線附表：3DJ6場效應(yīng)晶體管參數(shù)晶體管特征頻率 fT的測量晶體管的特征頻率fT定義為共射極組態(tài)時交流短路電流放大系數(shù)|隨頻率增加而下降到1時的工作頻率，它反映了晶體管共發(fā)射極運用具有放大作用的極限，是晶體管的一個重要參數(shù)。fT 主要取決于晶體管的合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但也與晶體管工作時的偏置條件密切相關(guān)。因此，fT是指在一定條件下的測量值。其測量原理

36、通常采用“增益帶寬”乘積的方法。本實驗的目的是掌握晶體管特征頻率fT 的測試原理及測試方法，熟悉 fT 分別隨VCE 和IE 變化的規(guī)律，加深其與晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作偏置條件關(guān)系的理解，為晶體管的頻率特性設(shè)計，制造和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。一、實驗原理在共發(fā)射極交流工作狀態(tài)下，晶體管發(fā)射結(jié)電壓周期性變化引起發(fā)射結(jié)，集點結(jié)空間電荷區(qū)的電荷和基區(qū)，發(fā)射區(qū)，集電區(qū)內(nèi)的少子，多子也隨之不斷重新分布，這種現(xiàn)象可視為電容的充放電作用。勢壘電容和擴散電容的充放電使由發(fā)射區(qū)通過基區(qū)傳輸至集電區(qū)的載流子減少，傳輸?shù)碾娏鞣迪陆低瑫r產(chǎn)生載流子傳輸延遲，加之載流子渡越集電結(jié)空間電荷區(qū)時間影響，使輸入輸出信號產(chǎn)生相移，電流放大

37、系數(shù) 變?yōu)閺?fù)數(shù)并且其幅值隨頻率升高而下降，相位移也隨頻率升高而增大。因此，晶體管共發(fā)射極交流短路放大系數(shù)的幅值和相位移是工作頻率的函數(shù)。理論上晶體管共發(fā)射極交流短路放大系數(shù)可表示 -（1）式中：低頻時的值；為相移因子，m為一常數(shù)m0.4；是截止角頻率。其幅值和相位角隨頻率變化的關(guān)系分別為-（2）-（3）可見，當(dāng)工作頻率 << 時，0，幾乎與頻率無關(guān)；當(dāng) =時 |=0/ |下降3db;當(dāng)>>時 |=0 。 根據(jù)定義，|=1 時的工作頻率即為特征頻率T 則有， T=|=0 -（4） 圖1 電流放大系數(shù)與頻率關(guān)系 另外，在晶體管共基極截止頻率，< 500MHZ 時近似有

38、T=/（1+m）,微波管中T。所以關(guān)系式（4）表明當(dāng)工作頻率滿足<<<< 時共發(fā)射交流短路電流放大系數(shù)與工作頻率乘積是一個常數(shù)，該常數(shù)即特征頻率 T ，亦稱“增益帶寬”積。上式同時還表明| 與成反比， 每升高一倍, |下降一倍，在對數(shù)坐標(biāo)上就是|的-6db/ 倍頻關(guān)系曲線，圖31表示了|隨頻率變化的關(guān)系。直接在|=1 的條件下測量 T 是比較困難的，而在工作頻率滿足 <<<<之關(guān)系時測得|, 爾后再乘以該測試頻率，也就是利用圖1的線性段就可以在較低頻率下獲得特征頻率T，使測試變得簡單，這就是通常測量T的基本原理。 圖32（a）T IE曲線 圖32

39、（b）TVCE曲線從晶體管原理可知，T是發(fā)射結(jié)電阻，基區(qū)寬度，勢壘區(qū)電容和勢壘區(qū)寬度等的函數(shù)，而這些參數(shù)雖然主要取決于晶體管的結(jié)構(gòu)，但與晶體管的工作條件有關(guān)，即工作偏置不同T也不等。因此，特征頻率是指在一定偏置條件下的值。圖32（a）表示VCE為常數(shù)時T隨IE的變化，圖2（b） 表示IE 為常數(shù)時T 隨VCE的變化。二、實驗內(nèi)容和方法 1、在規(guī)定VCE ， IE偏置條件下，測量所選晶體管的特征頻率fT。（VCE=10V IE=3mA,f測試=10MHZ）；2、VCE置范圍值，改變IE測量fTIE 變化關(guān)系；（VCE=5V IE=5-50mA 步進5 mA）；3、IE置范圍值，改變VCE方向 測

40、量fTVCE變化關(guān)系；（IE=3mA VCE=5-20V 步進1V）；光敏電阻的光電特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私夤饷綦娮韫怆娞匦裕杭垂╇婋妷阂欢〞r，電流照度的關(guān)系。1 2 3 4 1、光電導(dǎo)體膜 2、電極 3、絕緣基底 4、電路符號 圖1-1 二、基本原理：光敏電阻是一種當(dāng)光照射到材料表面上被吸收后，在其中激發(fā)載流子，使材料導(dǎo)電性能發(fā)生變化的內(nèi)光電效應(yīng)器件。最簡單的光敏電阻的原理和符號如圖1-1所示，由一塊涂在絕緣基底上的光電導(dǎo)體薄膜和兩個電極所構(gòu)成。當(dāng)加上一定電壓后，光生載流子在電場的作用下沿一定的方向運動，在電路中產(chǎn)生電流，這就達到了光電轉(zhuǎn)換的目的。三、需用器件與單元：實驗儀電源部分、光敏電

41、阻傳感器、光敏電阻實驗?zāi)K、發(fā)光二極管、專用光電連接筒、專用導(dǎo)線等四、初始設(shè)置：將發(fā)光二極管和光敏電阻傳感器分別旋入“專用光電連接筒”且固定在實驗儀上方的固定支架上，用“專用導(dǎo)線”將發(fā)光二極管與實驗儀上方的專用導(dǎo)線進行連接，同時將”光敏電阻傳感器”和“光敏電阻實驗?zāi)KTi”插口用專用導(dǎo)線連接。五、實驗步驟：mA +VCC 圖1-2 1、 了解實驗原理。（見圖1-2實驗原理圖）2、 根據(jù)圖1-3接線，+VCC為+10V電壓-15V +15V + R2 R1 + VO 圖1-3 R3 IO mA LED +VCC Ti 3、檢查接線是否正確4、關(guān)閉光強調(diào)節(jié)開關(guān)，記下電流表的讀數(shù)（暗電流）。5、開啟

42、光強開關(guān)，調(diào)節(jié)光強為200、400、600、800、1000、1200、1400、1600時，分別記下電流表讀數(shù)，將數(shù)據(jù)填入下表：表一光強（Lx）02004006008001000120014001600-電流（mA）6、根據(jù)所得結(jié)果作出照度-電流曲線。L I 7、參考曲線： 光敏電阻的伏安特性一、實驗?zāi)康模毫私夤饷綦娮璧姆蔡匦裕杭瓷淙胝斩纫欢〞r，電流偏壓的關(guān)系。二、基本原理：同實驗一三、需用器件與單元：實驗儀電源部分、光敏電阻、光敏電阻實驗?zāi)K、發(fā)光二極管、電流表、照度表、專用導(dǎo)線四、初始設(shè)置：將發(fā)光二極管和光敏電阻傳感器分別旋入“專用光電連接筒” 且固定在實驗儀上方的固定支架上，用“專用

43、導(dǎo)線”將發(fā)光二極管與與實驗儀上方的專用導(dǎo)線進行連接，同時將”光敏電阻傳感器”和“光敏電阻實驗?zāi)KTi”插口用專用導(dǎo)線連接。五、實驗步驟：1、在“光敏電阻實驗?zāi)K”如圖1-3接線。2、檢查接線是否正確。3、開啟光強開關(guān)，調(diào)節(jié)光強為1000，分別調(diào)節(jié)光敏電阻供電電壓+VCC到+2V、+4V、+6V、+8V、+10V。4、記下不同+VCC時的電流表讀數(shù)，并填入下表：表二電壓（V）+2+4+6+8+10電流（mA）5、作出V-I曲線。6、將光強開關(guān)分步調(diào)至500 LX、1500 LX，重復(fù)上述（4）至（5）步，比較三條V-I曲線有什么不同。V I EV1 7、參考曲線 光敏二極管的光電特性一、實驗?zāi)康?/p>

44、：了解光敏二極管的光電特性，當(dāng)光電管的工作偏壓一定時，光電管輸出光電流與入射光的照度（或通量）的關(guān)系。二、基本原理：光敏二極管是一種光生伏特器件，用高阻P型硅作為基片，然后在基片表面進行摻雜形成PN結(jié)。N區(qū)擴散的很淺，為1m左右，而空間電荷區(qū)（即耗盡層）較寬，所以保證了大部分光子入射到耗盡層。光子入射到耗盡層內(nèi)被吸收而激發(fā)電子-空穴對，電子-空穴對在外加反向偏壓VBB的作用下，空穴流向正極，形成了二極管的反向電流，即光電流。光電流通過外加負(fù)載電阻RL后產(chǎn)生電壓信號輸出。三、需用器件與單元：發(fā)光二極管、光敏二極管、光敏二極管實驗?zāi)K、電壓表、照度表、專用導(dǎo)線、傳感器連接套四、初始設(shè)置：將發(fā)光二極

45、管和光敏二極管傳感器分別旋入“專用光電連接筒” 且固定在實驗儀上方的固定支架上，用“專用導(dǎo)線”將發(fā)光二極管與與實驗儀上方的專用導(dǎo)線進行連接，同時將”光敏二極管傳感器”和“光敏二極管實驗?zāi)KTi”插口用專用導(dǎo)線連接。五、實驗步驟：Cr Rf VO V + + ILi 電壓表 圖45-1 1、在光敏二極管實驗?zāi)K如圖45-1接線，并在負(fù)載選擇單元中選擇Rf=20K作為Rf接入I/V變換器。注：因光敏二極管產(chǎn)生的光電流比較小，為便于讀數(shù)，所以采用I/V變換器將光電流ILi轉(zhuǎn)換成電壓，其關(guān)系為：ILi=| V/Rf |。(圖中+、-是光敏二極管正負(fù)極)2、關(guān)閉光強開關(guān)，記下電壓表的讀數(shù)（暗電流），并將

46、數(shù)據(jù)填入下表。調(diào)節(jié)光強為下表各數(shù)值時，分別記下電壓表的讀數(shù)填入下表。光強025050075010001250電壓（mV）電流（I）3、作出照度-電流曲線（ILi=V/ Rf）EV(Lx) I 4、參考曲線光敏二極管的伏安特性一、實驗?zāi)康模毫私夤饷舳O管在照度一定的情況下，它的輸出電流與偏壓的關(guān)系。二、基本原理：當(dāng)入射光的強度（或通量）一定時，光電管輸出的光電流與偏壓的關(guān)系稱為伏-安特性。下圖為硅光電管的伏安特性曲線：20V600Lx400Lx10V反向偏壓30V5uA8uA輸出電流(uA)0x三、需用器件與單元：實驗儀電源、光敏二極管、發(fā)光二極管、光敏二極管模塊、電壓表、照度表、專用導(dǎo)線、傳感

47、器連接套四、初始設(shè)置：直流穩(wěn)壓電源置±2V檔，將發(fā)光二極管和光敏二極管傳感器分別旋入“專用光電連接筒” 且固定在實驗儀上方的固定支架上，用“專用導(dǎo)線”將發(fā)光二極管與與實驗儀上方的專用導(dǎo)線進行連接，同時將”光敏二極管傳感器”和“光敏二極管實驗?zāi)KTi”插口用專用導(dǎo)線連接。五、實驗步驟：1、 根據(jù)圖45-1接線（零偏壓）。2、 開啟電源及光強開關(guān)，將光強置于200LX,，選擇Rf=1M。3、 記錄下此時電壓表的讀數(shù)，并填入下表：偏壓0-2-4-6-8-10電壓（Vo）電流（|V/Rf|）4、將光敏二極管“+”極與“”之間的連線去除，將直流穩(wěn)壓電源單元中“-VCC”端口與光敏二極管“+”極

48、相連，給二極管加上偏壓。5、直流穩(wěn)壓電源從-2V逐步調(diào)整至-10V，記錄下每一步的電壓表讀數(shù)值。并填入上表(注意電壓變化范圍比較小需仔細(xì)觀察)。6、作出V-I曲線。7、將光強分別調(diào)至300 LX、400 LX檔，重復(fù)上述36步。比較三條V-I曲線有什么不同。V I EV1 EV2 EV3 8、參考曲線光敏三極管的光電特性一、實驗?zāi)康模毫私夤饷羧龢O管的光電特性，當(dāng)光電管的工作偏壓一定時，光電管輸出光電流與入射光的照度（或通量）的關(guān)系。二、基本原理：光敏三極管是一種光生伏特器件，用高阻P型硅作為基片，然后在基片表面進行摻雜形成PN結(jié)。N區(qū)擴散得很淺，為1m左右，而空間電荷區(qū)（即耗盡層）較寬，所以保證了大部分光子入射到耗盡層。光子入射到耗盡層內(nèi)被吸收而激發(fā)電子-空穴對，電子-空穴對在外加反向偏壓VBB的作用下，空穴流向正極，形成了三極管的反向電流，即光電流。光電流通過外加負(fù)載電阻RL后產(chǎn)生電壓信號輸出。三、需用器件與單元：實驗儀電源部分、光敏三極管、發(fā)光二極管、光敏三極管模塊、專用導(dǎo)線等四、初始設(shè)置：將發(fā)光二極管和光敏三極管傳感器分別旋入“專用光電連接筒” 且固定在實驗儀上方的固定支架上，用“專用導(dǎo)線”將發(fā)光二極管與與實驗儀上方的專用導(dǎo)線進行連接，同時將“光敏三極管傳感器”和“光敏三極管實驗?zāi)KTi”