半導(dǎo)體器件綜合參數(shù)測(cè)試

1、 研究生電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)課程報(bào)告題 目：半導(dǎo)體器件綜合參數(shù)測(cè)試學(xué) 號(hào) 姓 名專 業(yè) 指 導(dǎo) 教 師 院（系、所）年 月 日一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?） 了解、熟悉半導(dǎo)體器件測(cè)試儀器，半導(dǎo)體器件的特性，并測(cè)得器件的特性參數(shù)。掌握半導(dǎo)體管特性圖示儀的使用方法，掌握測(cè)量晶體管輸入輸出特性的測(cè)量方法。（2） 測(cè)量不同材料的霍爾元件在常溫下的不同條件下（磁場(chǎng)、霍爾電流）下的霍爾電壓，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果全面分析、討論。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1） 測(cè)試3AX31B 、3DG6D 的放大、飽和、擊穿等特性曲線，根據(jù)圖示曲線計(jì)算晶體管的放大倍數(shù)；（2） 測(cè)量霍爾元件不等位電勢(shì)，測(cè)霍爾電壓，在電磁鐵勵(lì)磁電流下測(cè)霍爾電壓。三、

2、實(shí)驗(yàn)儀器：XJ4810圖示儀、示波器、三極管、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置四、 實(shí)驗(yàn)原理：1. 三極管的主要參數(shù)：（1）直流放大系數(shù)h FE ：h FE =（I C -I CEO ）/I B I C /I B 。其中I C 為集電極電流，I B 為基極電流。（2）穿透電流I CEO ：基極開路時(shí)I C 值，此值反映了三極管熱穩(wěn)定性。 （3）交流放大系數(shù)：=I C /I B（4）反向擊穿電壓BV CEO ：基極開路時(shí)，C 、E 之間擊穿電壓。2. 圖示儀的工作原理：晶體管特性圖示儀主要由階梯波信號(hào)源、集電極掃描電壓發(fā)生器、工作于X-Y 方式的示波器、測(cè)試轉(zhuǎn)換開關(guān)及一些附屬電路組成。晶體管特性圖示儀根據(jù)器件特

3、性測(cè)量的工作原理，將上述單元組合，實(shí)現(xiàn)各種測(cè)試電路。階梯波信號(hào)源產(chǎn)生階梯電壓或階梯電流，為被測(cè)晶體管提供偏置；集電極掃描電壓發(fā)生器用以供給所需的集電極掃描電壓，可根據(jù)不同的測(cè)試要求，改變掃描電壓的極性和大小；示波器工作在X-Y 狀態(tài)，用于顯示晶體管特性曲線；測(cè)試開關(guān)可根據(jù)不同晶體管不同特性曲線的測(cè)試要求改變測(cè)試電路。 （原理如圖1） 上圖中，R B 、E B 構(gòu)成基極偏置電路。當(dāng)E B V BE 時(shí)，I B =（E B -V BE ）/R B 基本恒定。晶體管C-E 之間加入鋸齒波掃描電壓，并引入小取樣電阻RC ，加到示波器上X 軸Y 軸電壓分別為：V X =VCE =VCA +VAC =VC

4、A -I C R C V CA V Y =-IC R C -I CI B 恒定時(shí)，示波器屏幕上可以看到一根。I C -V CE 的特征曲線，即晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線。為了顯示一組在不同I B 的特征曲線簇I CI =應(yīng)該在X 軸鋸齒波掃描電壓每變化一個(gè)周期時(shí)，使I B 也有一個(gè)相應(yīng)的變化。應(yīng)將E B 改為能隨X 軸的鋸齒波掃描電壓變化的階梯電壓。每一個(gè)階梯電壓能為被測(cè)管的基極提供一定的基極電流，這樣不同變化的電壓V B1、V B2、V B3就可以對(duì)應(yīng)不同的基極注入電流I B1、I B2、I B3. 只要能使沒一個(gè)階梯電壓所維持的時(shí)間等于集電極回路的鋸齒波掃描電壓周期。如此，繪出I CO =

5、（I BO ，V CE ）曲線與I C1=（I B1，V CE ）曲線。3. 直流電流放大系數(shù)h FE 與工作點(diǎn)I,V 的關(guān)系h FE 是晶體三極管共發(fā)射極連接時(shí)的放大系數(shù)，h FE =IC /IB 。以n-p-n 晶體管為例，發(fā)射區(qū)的載流子（電子）流入基區(qū)。這些載流子形成電流I E ，當(dāng)流經(jīng)基區(qū)時(shí)被基區(qū)空穴復(fù)合掉一部分，這復(fù)合電流形成IB ，復(fù)合后剩下的電子流入集電區(qū)形成電流為IC ，則I E =IB+IC。因ICIB 所以一般h FE =IC/IB都很大。當(dāng)V CC 不變，h FE 隨I C 變化的規(guī)律：I C 較小時(shí)，I C 增大，h FE 也隨之增大，當(dāng)I C 增大到一定程度時(shí)，則h

6、FE 隨I C 的增大而下降。原因很多，主要是當(dāng)I C 較小時(shí)，對(duì)于所有發(fā)射區(qū)復(fù)合都是主要的，結(jié)果h FE 隨I C 增加而增加。當(dāng)增大到一定程度時(shí)，即注入到基區(qū)的少數(shù)載流子和基區(qū)的多數(shù)載流子可以相比時(shí)，便產(chǎn)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制和大注入自建電場(chǎng)，同時(shí)產(chǎn)生有效基區(qū)擴(kuò)展和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)等，在這種情況下，就不能只考慮SHR 復(fù)合，同時(shí)也要考慮俄歇復(fù)合和禁帶復(fù)合。因此，I C 增大到一定程度時(shí)，h FE 隨I C 增加開始下降，如（圖1）。 當(dāng)I C 一定，h FE 如何隨V CC 增加而增加呢？因共發(fā)射極連接，發(fā)射結(jié)處于正偏，但寬度變化不大，可視為近似不變，而集電結(jié)處于反偏，當(dāng)反偏增加時(shí)，集電結(jié)空間電

7、荷區(qū)隨之加寬，它除擴(kuò)展到中性集電區(qū)，還擴(kuò)展到中性基區(qū)，使中性基區(qū)寬度變窄，造成基區(qū)內(nèi)少子濃度梯度增大，因而當(dāng)V CC 增加時(shí)，使Ic 、Ib 都增加，從而使h FE 也增加（如圖2）。假若不考慮基區(qū)寬變效應(yīng)，h FE =IC /IB ；考慮了基區(qū)寬變效應(yīng)，則h FE =IC / IB 。本儀器主要由穩(wěn)壓源供給被測(cè)管偏置電壓V CE ，恒流源供給被測(cè)管基極電流I B 。根據(jù)h FE 定義，在I C 滿量程時(shí)，可直接由I C / I B 表讀出h FE 值；當(dāng)I C 不為滿量程時(shí)，根據(jù)h FE =IC / IB 計(jì)算。4. 晶體管f 參數(shù)與工作點(diǎn)測(cè)試原理在共發(fā)射極電路中，當(dāng)測(cè)量(或工作 頻率升高時(shí)

8、，晶體三極管的交流短路電流放大倍數(shù)就要下降。當(dāng)|下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，稱為該晶體管的特征頻率，記作f T 。由以上定義，在工程上實(shí)現(xiàn)f T 的測(cè)量比較復(fù)雜，因此，我們作以下推導(dǎo)： 高頻三極管與頻率的關(guān)系可表示為：=0（1+jC be rbe ）其中C be rbe =12f =1于是=0（1+jff ）取其模數(shù)|=01+（f f ）212（1）式（1）中：0為低頻時(shí)電流放大倍數(shù)；f 為短路電流放大倍數(shù)降到0.7070時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，稱為共發(fā)射極電路的截止頻率；f 為測(cè)量（或工作）頻率。由（1）式可以畫出圖1所示的|f 曲線。 觀察圖1，當(dāng)測(cè)量頻率較低時(shí)，|，隨著頻率的升高|下降，我們研究一下

9、下降的規(guī)律。式（1）中，當(dāng)測(cè)量頻率f 比f 大很多，且能滿足(ff 21時(shí)，（1）式簡化為：|=0f f（2）考慮到f T 的定義，當(dāng)|=1時(shí)，f=fT ，于是：f T =0f （3）將（3）式代入（2）式得到：f T =f0|（4）根據(jù)（4）式，我們可以將f T 表述為：在共發(fā)射極電路中，當(dāng)測(cè)量頻率f 大于f 且滿足(ff 21時(shí)，特征頻率f T 就等于測(cè)量頻率f 與該頻率下電流增益模數(shù)的乘積，稱為“帶寬增益乘積”。不難看出，當(dāng)滿足(ff 21而得到的（4）式，表示了一條直線，頻率每升高一倍|就下降一倍，|是以-6dB/倍頻程（或20dB/+倍頻程）的規(guī)律下降的。只要在-6dB/倍頻程區(qū)內(nèi)，

10、不管采用什么點(diǎn)頻進(jìn)行測(cè)量，從理論上講都是可以求得f T （忽略公式近似而引入的誤差），例如：f 1|1|= f2|2|= f3|3|= f T 1=fT嚴(yán)格說來，根據(jù)“帶寬增益乘積”的原理來測(cè)f T ，必須使(ff 21的條件滿足的很好，不然由于“帶寬增益乘積”定義本身帶來的誤差就很可觀。例如：f=3 f，誤差為+5%；f=5 f ，誤差為2%；只有(ff 21其誤差才可以被忽略。理論分析和實(shí)驗(yàn)都證明，當(dāng)|趨近于1時(shí)，曲線會(huì)上翹并且沒有規(guī)律，因此該儀器的測(cè)量范圍在-6dB/倍頻程區(qū)內(nèi)選=26，這對(duì)絕大部分管型來說，可以確保(ff 21的條件。通過以上分析，我們只要在晶體管的-6dB/倍頻程區(qū)內(nèi)

11、的某頻率下測(cè)得其交流短路電流放大系數(shù)|，就可依f T =f|求得f T 。5. 霍爾效應(yīng)： 霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)，從本質(zhì)上講，霍爾效應(yīng)是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力的作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷在不同側(cè)的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)。如右圖（1）所示，磁場(chǎng)B 位于Z 的正向，與之垂直的半導(dǎo)體薄片上沿X 正向通以電流s I （稱為控 制電流或工作電流），假設(shè)載流子為電子（N 型半導(dǎo)體材料），它沿著與電流s I 相反的X 負(fù)向運(yùn)動(dòng)。由于洛倫茲力L f 的作用，電子即向圖中虛

12、線箭頭所指的位于y 軸負(fù)方向的B 側(cè)偏轉(zhuǎn)，并使B 側(cè)形成電子積累，而相對(duì)的A 側(cè)形成正電荷積累。與此同時(shí)運(yùn)動(dòng)的電子還受到由于兩種積累的異種電荷形成的反向電場(chǎng)力E f 的作用。隨著電荷積累量的增加，E f 增大，當(dāng)兩力大小相等（方向相反）時(shí)，L f =-E f ，則電子積累便達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)在A 、B 兩端面之間建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)H E ，相應(yīng)的電勢(shì)差稱為霍爾電壓H V ?；魻栐y(cè)量磁場(chǎng)的基本電路如圖2，將霍爾元件置于待測(cè)磁場(chǎng)的相應(yīng)位置，并使元件平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 垂直，在其控制端輸入恒定的工作電流s I ，霍爾元件的霍爾電壓輸出端接毫伏表，測(cè)量霍爾電勢(shì)H V 的值。圖(2五、實(shí)驗(yàn)步驟：

13、1、圖示儀測(cè)晶體管特性（1） 按下電源開關(guān)，指示燈亮，預(yù)熱15分鐘后，即可進(jìn)行測(cè)試。 （2）調(diào)節(jié)輝度、聚焦及輔助聚焦，使光點(diǎn)清晰。（3） 將峰值電壓旋鈕調(diào)至零，峰值電壓范圍、極性、功耗電阻等開關(guān)置于測(cè)試所需位置。 （4） 對(duì)X 、Y 軸放大器進(jìn)行10度校準(zhǔn)。 （5）調(diào)節(jié)階梯調(diào)零。（6）選擇需要的基極階梯信號(hào)，將極性、串聯(lián)電阻置于合適擋位，調(diào)節(jié)級(jí)/簇旋鈕，使階梯信號(hào)為10級(jí)/簇，階梯信號(hào)置重復(fù)位置。（7）插上被測(cè)晶體管，緩慢地增大峰值電壓，熒光屏上即有曲線顯示。（8）逐漸加大峰值電壓就能在顯示屏上看到一簇特性曲線. 讀出X 軸集電極電壓V ce =1V時(shí)最上面一條曲線（每條曲線為20A ，最下面

14、一條I B =0不計(jì)在內(nèi)）I B 值和Y 軸I C 值，可得h FE =BCI I 若把X 軸選擇開關(guān)放在基極電流或基極源電壓位置，即可得到電流放大特性曲線。即=BCI I 2、霍爾效應(yīng)（1）斷開勵(lì)磁線圈電流，調(diào)節(jié)霍爾控制電流I CH =10.00mA，測(cè)量霍爾元件不等位電勢(shì)。首先短路中間電壓表的正負(fù)輸入，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使電壓顯示00.00mV 。然后斷開勵(lì)磁電流，調(diào)節(jié)霍爾元件離開電磁鐵以免電磁鐵剩磁影響測(cè)量數(shù)據(jù)。最后調(diào)節(jié)霍爾控制電I CH =10.00mA，連接好電壓表和霍爾輸出接線柱，記錄數(shù)據(jù)V 13（控制電流從霍爾元件的1端流向3端）和V 31（控制電流從霍爾元件的3端流向1端）（2）測(cè)

15、量霍爾電壓，調(diào)節(jié)電磁勵(lì)磁電流I M =400mA，對(duì)于Si 材料，霍爾控制電流I CH =1.00，2.00，3.00，4.00，5.00，6.00，7.00，8.00，9.00，10.00mA 。測(cè)量霍爾電壓V ，然后繪I CH -V H 曲線，驗(yàn)證線性關(guān)系。首先連接好實(shí)驗(yàn)裝置與電源的連線。調(diào)節(jié)霍爾元件在氣隙里的位置，角度，使顯示的數(shù)據(jù)最大。然后調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流I M =400mA，依次改變勵(lì)磁電流方向，改變霍爾控制電流方向，然后記錄。（3）對(duì)于Si 材料，調(diào)節(jié)霍爾控制電流I CH =10.00mA，調(diào)節(jié)電磁鐵勵(lì)磁電流I M =50,100,2001000mA 測(cè)量霍爾電壓，然后繪制I M -V

16、 H 曲線，驗(yàn)證線性關(guān)系的范圍，分析氣隙磁場(chǎng)，在電磁勵(lì)磁電流I M =800mA，I M -V H 直線下跌的原因。首先連接好實(shí)驗(yàn)裝置與電源的連線，然后調(diào)節(jié)霍爾元件在氣隙的位置，角度，使顯示的數(shù)據(jù)最大。然后調(diào)節(jié)霍爾控制電流I CH =10.00mA，依次改變勵(lì)磁電流方向，改變霍爾控制電流方向。最后記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果六、數(shù)據(jù)記錄：晶體管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：表1 V=8V 表2 V=8V 霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表格：表3 VH -I CH M I =400mA 表4 VH -I M ICH =10.00mA 實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 1、當(dāng)霍爾電壓保持恒定，改變勵(lì)磁電流時(shí)，測(cè)量得到的霍爾電壓隨勵(lì)磁電流的增加而增加， 通過作圖發(fā)現(xiàn)二者之間

17、也滿足線性關(guān)系。2、當(dāng)勵(lì)磁電流保持恒定，改變霍爾電流時(shí)，測(cè)量得到的霍爾電壓隨霍爾電流的增加而增加， 通過作圖發(fā)現(xiàn)二者之間滿足線性關(guān)系。七、對(duì)霍爾效應(yīng)測(cè)量方法的改進(jìn)：7. 1 儀器的選取我們做的“霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)”所用儀器為螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀與霍爾效應(yīng)測(cè)試儀，這兩種儀器均為集成化程度較高的儀器 ,大大限制了學(xué)生開發(fā)思維和自制裝置測(cè)磁場(chǎng)的能力。我們選取的磁場(chǎng)源為一對(duì)條形磁鐵;霍爾元件是一霍爾片 (其霍爾系數(shù)和最大限制電流已知 ; 毫伏表一只, 用來測(cè)量霍爾電壓; 毫安表一只, 用來測(cè)量霍爾電流; 開關(guān)兩只, 可控制總電路和霍爾片工作電路; 穩(wěn)壓電源一只, 用來提供霍爾片工作電流; 電阻一只, 作為限流

18、電阻; 為了將霍爾片固定, 采用一空心圓柱體(如筆芯等, 利用膠水等粘性物質(zhì)將霍爾片固定于其底部; 量角器一只, 用來指示霍爾片法線方向; 帶有坐標(biāo)的膠片一張, 用來確定所測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo); 有機(jī)玻璃一塊，與膠片固定在一起, 作為輔助器件; 導(dǎo)線若干, 用來連接電路; 乳膠, 用來固定條形磁鐵和霍爾片。7. 2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的原理仍為霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)原理, 測(cè)量三維空間的磁場(chǎng)分布是測(cè)量二維空間磁場(chǎng)分布的擴(kuò)展, 在這里, 我們以測(cè)量二維空間磁場(chǎng)分布為例來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置。由所選器件進(jìn)行設(shè)計(jì)裝置線路的具體思路為:所測(cè)對(duì)象為一對(duì)條形磁鐵周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng), 條形磁鐵需要固定, 這里用一塊有機(jī)玻璃作為支撐

19、物, 用乳膠將條形磁鐵將其固定; 為了測(cè)霍爾電壓和電流 , 需要將霍爾片的兩對(duì)邊焊接上導(dǎo)線 ,由于霍爾片較小, 在實(shí)驗(yàn)時(shí)為了獲得可靠的數(shù)據(jù), 不能用手直接接觸, 所以需將其用乳膠固定于一空心圓柱體(如筆芯等 下端, 并使其法線方向在水平面內(nèi); 霍爾片的工作電流由穩(wěn)壓電源提供, 其電流值由毫安表指示, 霍爾電壓由毫伏表指示。為了保護(hù)電路, 用一只電阻作為限流電阻, 一只單刀開關(guān)用來接通和切斷電路。因?yàn)槟滁c(diǎn)的磁場(chǎng)具有方向, 所以為了指示該方向, 將一張帶有坐標(biāo)的膠片附于玻璃板之上, 用一挖去中心的量角器指示霍爾片的法線方向。實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖1所示。 7. 3 實(shí)驗(yàn)方案及方法本實(shí)驗(yàn)所測(cè)對(duì)象為一對(duì)條形

20、磁鐵在二維空間(水平面內(nèi) 的磁場(chǎng)分布設(shè)計(jì)的具體方案為:將霍爾片放置于所測(cè)磁場(chǎng)中的任意位置, 令其轉(zhuǎn)動(dòng)一周, 觀察測(cè)得霍爾電壓的大小及霍爾片法線的方向, 當(dāng)霍爾電壓最大時(shí)對(duì)應(yīng)的磁感強(qiáng)度值即為該點(diǎn)的磁場(chǎng)大小, 此時(shí)霍爾片的法線方向即為該點(diǎn)磁場(chǎng)的方向, 從而可將所測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)確定下來。改變霍爾片的位置, 即可確定出二維空間中各點(diǎn)的磁場(chǎng)。此方法可擴(kuò)展到測(cè)量三維空間的磁場(chǎng)分布。具體的操作步驟為:(1將霍爾片豎直固定于一圓柱形筒內(nèi), 將筒置于一圓心處挖去一合適大小面積的量角 器中, 標(biāo)出霍爾片法線方向在量角器上對(duì)應(yīng)的角度。(2連接好電路, 給霍爾片通一小的工作電流Is(小于10mA 。(3將霍爾片放置于未知

21、磁場(chǎng)的某一點(diǎn), 令其法線在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)一周, 觀察霍爾電壓的變化。(4記下最大霍爾電壓值(UHmax, 此時(shí)由公式B=(UHmax/(kHIs算出的磁感強(qiáng)度值即為該點(diǎn)磁場(chǎng)的大小; 記下量角器上霍爾片的法線方向?qū)?yīng)的角度, 即為該點(diǎn)磁場(chǎng)的方向。(5改變霍爾片的位置, 重復(fù)(3、(4步驟, 即可測(cè)得二維空間中各點(diǎn)的磁場(chǎng)大小及方向。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)中所用霍爾片的霍爾系數(shù)KH=2.3mV/(mAT, 工作電流Is=6.7mA。以兩塊條形磁鐵中心連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn), 并以中心連線向右為x 軸, 兩塊磁鐵的中軸線為y 軸, 建立如圖1所示坐標(biāo)系。為霍爾片法線方向與x 軸正向之間的夾角, 即所測(cè)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與x 軸正向之間的夾角。B 為所測(cè)點(diǎn)的磁感強(qiáng)度值。所測(cè)二維空間的磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)見表1。表1數(shù)據(jù)是對(duì)一對(duì)條形磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)在二維空間分布的部分?jǐn)?shù)據(jù), 如果測(cè)量點(diǎn)足夠多, 則可描繪出整個(gè)二維空間的磁場(chǎng)分布。如果在三維空間中