半導體測試器件與芯片測試描述

1、半導體器件測試半導體器件測試第七章第七章 一、半導體器件簡介一、半導體器件簡介 半導體器件半導體器件（semiconductor device）是利用半導體材料特殊電特性來完成特定功能的器件。為了與集成電路相區(qū)別，有時也稱為分立器件。半導體分立器件是集成電路的功能基礎。 半導體器件主要有半導體器件主要有: :二端器件二端器件和和三端器件三端器件 二端器件二端器件: : 基本結構是一個PN結 可用來產生、控制、接收電信號； pnpn結二極管、肖特基二極管結二極管、肖特基二極管 三端器件三端器件: : 各種晶體管 可用來放大、控制電信號； 雙極晶體管、雙極晶體管、MOSMOS場效應晶體管場效應晶體

2、管等 （一）半導體二極管（一）半導體二極管 陽極 陰極引線 引線PNa陽極陰極kP型支持襯底(c) 圖 (d) （c）集成電路中的平面型結構; （d）圖形符號 一般二極管和穩(wěn)壓二極管一般二極管和穩(wěn)壓二極管 ? 一般二極管一般二極管：主要利用二極管的正向導通、反向截止的特性，實現(xiàn)整流、檢波、開關等作用。 符號標注： ? 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管： 利用PN結在一定的反向電壓下,可引起雪崩擊穿.這時二極管的反向電流急速增大，但反向電壓基本不變但反向電壓基本不變. 因此，可以作為穩(wěn)壓電源使因此，可以作為穩(wěn)壓電源使用。反向擊穿電壓數(shù)值在用。反向擊穿電壓數(shù)值在40V以上的是二極管，低于以上的是二極管，低于4

3、0V的穩(wěn)壓管。的穩(wěn)壓管。 符號符號 圖一普通二極管，第一個是國內標準的畫法； 圖二雙向瞬變抑制二極管； 圖三分別是光敏或光電二極管，發(fā)光二極管； 圖四為變容二極管； 圖五是肖特基二極管； 圖六是恒流二極管； 圖七是穩(wěn)壓二極管； （二）半導體三極管（二）半導體三極管 雙極型晶體管又稱三極管。電路表示符號： BJTBJT。根據(jù)功率的不同具有不同的外形結構。 雙極型晶體管的幾種常見外形 （a）小功率管 （b）小功率管 （c）中功率管 （d）大功率管 三極管的基本結構三極管的基本結構 由兩個摻雜濃度不同且背靠背排列的PN結組成，根據(jù)排列方式的不同可分為NPN型和PNP型兩種,每個PN結所對應區(qū)域分別稱

4、為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。 C 集電極集電極 NPN型型 N P N E 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 C P N P E PNP型型 B 基極基極 B 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電區(qū)：集電區(qū)：面積較大面積較大 C N P N E 集電極集電極 基區(qū)：較薄，摻雜濃基區(qū)：較薄，摻雜濃度低度低 B 基極基極 發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度較高雜濃度較高 發(fā)射極發(fā)射極 C B IC B IB C IC IB E IE E IE NPN型三極管型三極管 PNP型三極管型三極管 制成晶體管的材料可以為制成晶體管的材料可以為 Si或或Ge。 2、三極管的工作模式、三極管的工作模式 輸入(a)輸出輸入(b)輸出輸

5、入(c)輸出 圖1.16三極管電路的三種組態(tài) （a）共發(fā)射極接法;（b）共基極接法;和各極電流（c）共集電極接法 RcRcbcbcVVReUebCCRbUBBUBB (a)圖1.15 (b) （a）NPN型; （b）PNP型 ?工作的基本條件：工作的基本條件： ?EB結正偏；結正偏； ?CB結反偏。結反偏。 ?VCCVBB VEE CCU（三）（三）MOS晶體管晶體管 場效應晶體管（Field Effect Transistor,簡稱FET）是與雙極性晶體管工作原理不同。 雙極性晶體管雙極性晶體管是利用基極電流控制集電極電流，電流控制型電流控制型的放大元件。帶有正電荷的空穴及負電荷的電子，具有

6、放大功能的意義，故稱為雙極性。 MOSFET是利用柵極電壓來控制漏極電流的電壓控制型電壓控制型的放大元件。 FET的特征是在低頻帶有極高的輸出阻抗為10111012（MOS FET更高）另外，F(xiàn)ET比雙極性晶體管噪音小，可作為功率放大器使用。 結構和電路符號結構和電路符號 S G D MOS結構結構 兩個兩個N區(qū)區(qū) N P N G P型基底型基底 N溝道增強型溝道增強型 D S S G D N P N 預埋了導預埋了導電溝道電溝道 D G S N 溝道耗盡型溝道耗盡型 S G D P N P D G S P 溝道增強型溝道增強型 S G D P N P 予埋了導予埋了導電溝道電溝道 D G S

7、 P 溝道耗盡型溝道耗盡型 MOSFET 的分類和符號 NMOS 增強型 襯底 p 耗盡型 增強型 n PMOS 耗盡型 S/D 載流子 VDS n+ 電子 + p+ 空穴 ? IDS 載流子運動方向 VT 符號 + D G S D ? S S ? D ? D G S B G S ? D S ? D S ? D + D B G S B B 二、半導體器件的性能測試二、半導體器件的性能測試 ? 二極管的測試 ? 雙極晶體管測試 ? MOS結構C-V特性測試 （一）（一） 二極管的性能測試二極管的性能測試 1、 二極管的主要測試參數(shù)二極管的主要測試參數(shù) 二極管二極管I-V特性特性 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二

8、極管 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 硅管的正向管壓降一般為0.60.8V，鍺管的正向管壓降則一般為0.20.3V。 2、 二極管的二極管的I-V測試測試 圖圖7.13 圖圖7.14 測試電路測試電路 測試設備測試設備晶體管參數(shù)測試儀晶體管參數(shù)測試儀 （二）雙極型晶體管（二）雙極型晶體管I-V特性測試特性測試 1、三極管的主要測試參數(shù)、三極管的主要測試參數(shù) ? 共射極增益（電流放大系數(shù)）共射極增益（電流放大系數(shù)） ?IC ? 交流工作時： ?IB 直流工作時： ?ICIB ? 穿透電流穿透電流ICEO、ICBO ? 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 ? 集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICM ? 集電極最大

9、允許功率損耗集電極最大允許功率損耗PCM 圖圖7.2 共射雙極型晶體管的放大特性共射雙極型晶體管的放大特性 圖圖 共射雙極型晶體管反向擊穿特性共射雙極型晶體管反向擊穿特性 2、雙極晶體管的性能測試、雙極晶體管的性能測試 圖圖7.16 測試設備測試設備晶體管參數(shù)測試儀晶體管參數(shù)測試儀 三、三、結構的結構的C-V特性測試特性測試 MOS C-V特性測試簡介特性測試簡介 ? MOS（金屬氧化物半導體）結構的電容是外加壓的 函數(shù)，MOS電容隨外加電壓變化的曲線稱之為電容隨外加電壓變化的曲線稱之為C-V曲線，簡曲線，簡稱稱CV特性特性。C-V曲線與半導體的導電類型及其摻雜濃度、SiO2-Si系統(tǒng)中的電荷

10、密度有密切的關系。 ? 利用實際測量實際測量到的MOS結構的C-V曲線與理想的理想的MOS結構的 C-V特性曲線比較，可求得氧化硅層厚度氧化硅層厚度、襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度、氧化層中可動電荷面密度和固定電荷面密度氧化層中可動電荷面密度和固定電荷面密度等參數(shù)。 ?在集成電路特別是MOS電路的生產和開發(fā)研制中，MOS電容的C-V測試是極為重要的工藝過程監(jiān)控測試手段，也是器是器件、電路參數(shù)分析和可靠性研究的有效工具件、電路參數(shù)分析和可靠性研究的有效工具。 1、MOS結構的電容模型結構的電容模型 氧化層電容氧化層電容 氧化層氧化層 半導體表面感應的空半導體表面感應的空間電荷區(qū)對應的電容間電荷區(qū)對應的

11、電容 ? MOS電容是電容是Co和和Cs串聯(lián)而成，總電容串聯(lián)而成，總電容C: 111?CCoxCS?0?r0與氧化層其厚度成反比，而與外加偏壓V 無關。 CO?AGd0dQSCS?AdVS由空間電荷區(qū)單位面積電量由空間電荷區(qū)單位面積電量Qs隨表面勢隨表面勢Vs的的 變化率大小而定變化率大小而定 2、MOS結構的結構的C-V特性特性 P型襯底的型襯底的MOS a. 負柵壓下負柵壓下 絕緣體（氧化物絕緣體（氧化物） 堆積模式,最大電容負柵壓 Cmax?Cox?oxtoxP型襯底型襯底 b.較小正柵壓下較小正柵壓下 絕緣體（氧化物）絕緣體（氧化物） P型襯底型襯底 引起空間電荷區(qū)引起空間電荷區(qū) 耗盡

12、模式111?CCoxCS正當正偏壓較小時，此時半導體表面柵空間區(qū)電容Cs對總電容的貢獻不能壓 忽略，與Cox串聯(lián)的結果使總電容C變小。柵壓VG越大，耗盡層寬度變寬，Cs越大，總電容越小。 P型襯底的型襯底的MOS c.較大正柵壓下較大正柵壓下 絕緣體（氧化物）絕緣體（氧化物） P型襯底型襯底 引起空間電荷區(qū)引起空間電荷區(qū) 正柵壓 反型模式，閾值反型點時有最小電容?oxCmin?ox?tox? ?x?dT?s?反型時，耗盡區(qū)寬度基本不增加，達到了一個極大值，總電容C達到極小值Cmin。 P型襯底的型襯底的MOS C-V特性特性 高頻高頻C-V測試和低頻測試和低頻C-V測試的差別測試的差別 ? 半

13、導體與二氧化硅界面之間的電荷充放電時間常數(shù)較長，通常大于10-6s，所以界面態(tài)電容只在低頻或準靜態(tài)情形下對所以界面態(tài)電容只在低頻或準靜態(tài)情形下對MOSMOS電容有貢獻。電容有貢獻。對于1MHz的高頻高頻C-VC-V測量，通常不考慮界面測量，通常不考慮界面態(tài)電容的影響。態(tài)電容的影響。 N型襯底型襯底MOS的高頻和低頻的高頻和低頻C-V特性特性 1.40E-101.20E-101.00E-10)8.00E-11Fp(C6.00E-114.00E-112.00E-110.00E+00-6-4-2VFB0246V高頻低頻P型和型和N型半導體襯底型半導體襯底MOS結構的結構的C-V特性差異特性差異 P型

14、襯底MOS： i. 加負柵壓時，半導體與氧化層界面出現(xiàn)空穴堆積，對應最大電容 ii. 加正柵壓時，半導體與氧化層界面出現(xiàn)空穴耗盡，對應最小電容 N型襯底MOS： i. 加正柵壓時，半導體與氧化層界面出現(xiàn)空穴堆積，對應最大電容 ii. 加負柵壓時，半導體與氧化層界面出現(xiàn)空穴耗盡，對應最小電容 3、幾個概念和計算公式、幾個概念和計算公式 （1）平帶電壓）平帶電壓VFB和平帶電容和平帶電容CFB 表面處不發(fā)生能帶彎曲，此時QSC=O.這種狀態(tài)稱之為平帶狀態(tài)，總MOS電容稱為平帶電容。在MOS結構C-V測試中，是一個很有用的參數(shù)，用它可以定出實際C-V曲線的平帶點。 （2）平帶電容）平帶電容CFB的計

15、算公式：的計算公式： （3）氧化層固定電荷對平帶電壓）氧化層固定電荷對平帶電壓VFB的影響的影響 ? 在實際的MOS結構中，由于SiO2中總是存在電荷（通常是正電荷），且金屬的功函數(shù)和半導體的功函數(shù)通常并不相等，所所以平帶電壓以平帶電壓V VFBFB一般不為零。一般不為零。金屬可以通過交換電荷，這些因素對MOS結構的C-V特性產生顯著影響。若不考慮界面態(tài)的影響 氧化層正的固定電荷越多，平帶電壓負值越大氧化層正的固定電荷越多，平帶電壓負值越大，整個C-V曲線向更負電壓推移。 平帶電壓VFBQ?ms?Coxss（4）氧化層厚度）氧化層厚度tox，由測試的最大電容，由測試的最大電容C max確定確定

16、: Cmax?Cox?oxtoxt?oxox?Cox (5)半導體摻雜濃度半導體摻雜濃度: 根據(jù)根據(jù)Cmin/Cox或或CFB/Cox的電容比確定的電容比確定 CminCmax?111?ro?4?O?rSKT?ln?N2rsdox?q?a?2N?n?ai?實驗設備實驗設備 所用儀器設備主要包括三部分: ?測試臺(包括樣品臺、探針、升溫和控溫裝置等) ?高頻（1MHz或更高）hp4275A C-V測試儀 ?計算機 實驗內容實驗內容 第七章第七章 復習題復習題 1 1、二極管的、二極管的I-VI-V特性可以給出哪些電學參數(shù)？畫圖說明。特性可以給出哪些電學參數(shù)？畫圖說明。 2 2、畫出、畫出SiSi三極管的共射極工作模式，并簡述如何對其進行三極管的共射極工作模式，并簡述如何對其進行 I-I-