半導(dǎo)體器件綜合參數(shù)測試(精)

1、分?jǐn)?shù)：評卷人：研究生電子技術(shù)綜合實驗課程報告題目：半導(dǎo)體器件綜合參數(shù)測試學(xué)號姓名專業(yè)指導(dǎo)教師院（系、所）年月日、實驗?zāi)康?1) 了解、熟悉半導(dǎo)體器件測試儀器，半導(dǎo)體器件的特性，并測得器件的特性參數(shù)。掌握半導(dǎo)體管特性圖示儀的使用方法，掌握測量晶體管輸入輸出特性的測量方法。(2) 測量不同材料的霍爾元件在常溫下的不同條件下(磁場、霍爾電流)下的霍爾電壓，并根據(jù)實驗結(jié)果全面分析、討論。二、實驗內(nèi)容：(1) 測試3AX31B、3DG6D的放大、飽和、擊穿等特性曲線根據(jù)圖示曲線計算晶體管的放大倍數(shù)；(2) 測量霍爾元件不等位電勢，測霍爾電壓，在電磁鐵勵磁電流下測霍爾電壓。三、實驗儀器：XJ4810圖示儀

2、、示波器、三極管、霍爾效應(yīng)實驗裝置四、實驗原理：1. 三極管的主要參數(shù)：(1) 直流放大系數(shù)hFE:hFE=(IC-ICEO)/IE4C/IE。其中IC為集電極電流，IB為基極電流。(2) 穿透電流ICEO:基極開路時IC值，此值反映了三極管熱穩(wěn)定性。(3) 交流放大系數(shù)卩：p=AIC/AIB(4) 反向擊穿電壓BVCEO:基極開路時，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源、集電極掃描電壓發(fā)生器、工作于X-Y方式的示波器、測試轉(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)器件特性測量的工作原理，將上述單元組合，實現(xiàn)各種測試電路。階梯波信號源產(chǎn)生階梯電壓

3、或階梯電流，為被測晶體管提供偏置；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)不同的測試要求，改變掃描電壓的極性和大??；示波器工作在X-Y狀態(tài).用于顯示晶體管特性曲線；測試開關(guān)可根據(jù)不同晶體管不同特性曲線的測試要求改變測試電路。(原理如圖1)圖1上圖中，RB、EB構(gòu)成基極偏置電路。當(dāng)EBVBE時.IB=(EB-VBE)/RB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：VX=VCE=VCA+VAC=VCA-ICRCgVCAVY=-ICRC-ICIB恒定時，示波器屏幕上可以看到一根。IC-VCE的特征曲線，即晶體管共發(fā)射極輸出特性

4、曲線。為了顯示一組在不同IB的特征曲線簇ICI=<p應(yīng)該在X軸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。應(yīng)將EB改為能隨X軸的鋸齒波掃描電壓變化的階梯電壓。每一個階梯電壓能為被測管的基極提供一定的基極電流，這樣不同變化的電壓VB1、VB2、VB3.就可以對應(yīng)不同的基極注入電流IBl、IB2、IB3.只要能使沒一個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。如此繪出ICO=(p(IBO,VCE)曲線與ICl=(p(IB1,VCE)曲線。3. 直流電流放大系數(shù)hFE與工作點I,V的關(guān)系hFE是晶體三極管共發(fā)射極連接時的放大系數(shù)，hFE=IC/IB。以n-p-n晶體

5、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IE,當(dāng)流經(jīng)基區(qū)時被基區(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,貝IJIE=IB+ICO因IC»IB所以一般hFE=IC/IB都很大。當(dāng)VCC不變，hFE隨IC變化的規(guī)律：IC較小時,IC增大，hFE也隨之增大.當(dāng)IC增大到一定程度時，則hFE隨IC的增大而下降。原因很多，主要是當(dāng)IC較小時，對于所有發(fā)射區(qū)復(fù)合都是主要的，結(jié)果hFE隨IC增加而增加。當(dāng)增大到一定程度時.即注入到基區(qū)的少數(shù)載流子和基區(qū)的多數(shù)載流子可以相比時便產(chǎn)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制和大注入自建電場.同時產(chǎn)生有效基區(qū)擴(kuò)展和發(fā)射極電流

6、集邊效應(yīng)等，在這種情況下，就不能只考慮SHR復(fù)合，同時也要考慮俄歇復(fù)合和禁帶復(fù)合。因此IC增大到一定程度時，hFE隨IC增加開始下降，如(圖1)。圖1當(dāng)IC定，hFE如何隨VCC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.集電結(jié)空間電荷區(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)VCC增加時，使Ic、Ib都增加，從而使hFE也增加（如圖2）。假若不考慮基區(qū)寬變效應(yīng)，hFE-IC7IB；考慮了基區(qū)寬變效應(yīng)，貝IJhFE=IC/IBo本儀器主要由穩(wěn)壓源供給被測管偏置電壓V

7、CE,恒流源供給被測管基極電流IB。根據(jù)hFE定義，在IC滿量程時，可直接由IC/IB表讀出hFE值；當(dāng)IC不為滿量程時，根據(jù)hFE=IC/IB計算。4. 晶體管f參數(shù)與工作點測試原理在共發(fā)射極電路中.當(dāng)測量（或工作頻率升高時，晶體三極管的交流短路電流放大倍數(shù)就要下降。當(dāng)同下降到1時所對應(yīng)的頻率，稱為該晶體管的特征頻率，記作fT。由以上定義.在工程上實現(xiàn)fT的測量比較復(fù)雜，因此.我們作以下推導(dǎo)：高頻三極管卩與頻率的關(guān)系可表示為：p=pO/(1+jcoCbeTbe)其中CbeT，be=1/2兀邙=1/co卩于是P=PO/(1+jf/fp)取其模數(shù)|p|=po/1+(f/fp)2l/2(1)式(1

8、)中：00為低頻時電流放大倍數(shù)；f卩為短路電流放大倍數(shù)降到0.707P0時所對應(yīng)的頻率.稱為共發(fā)射極電路的截止頻率；f為測量(或工作)頻率。由(1) 式可以畫出圖1所示的IPIf曲線。觀察圖1,當(dāng)測量頻率較低時，|卩卜0.隨著頻率的升高同下降，我們研究一下下降的規(guī)律。式(1)中，當(dāng)測量頻率f比邙大很多且能滿足(f/邙2>>1時，(1)式簡化為：|p|=po-fp/f考慮到fT的定義，當(dāng)|卩|=1時，f=fT,于是：fT=pOf卩（3）將式代入式得到：fT=fO-|p|（4）根據(jù)（4）式，我們可以將fT表述為：在共發(fā)射極電路中.當(dāng)測量頻率f大于邙且滿足（f/f卩2>>1時

9、，特征頻率fT就等于測量頻率f與該頻率下電流增益模數(shù)的乘積，稱為“帶寬一增益乘積”。不難看出，當(dāng)滿足（f/邙2>>1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，同是以-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)，不管采用什么點頻進(jìn)行測量，從理論上講都是可以求得fT（忽略公式近似而引入的誤差）.例如：fl-|pl|=f2-|p2|=B03|=,fTl=fT嚴(yán)格說來，根據(jù)“帶寬一增益乘積”的原理來測fT,必須使（f/f卩2>>1的條件滿足的很好，不然由于“帶寬一增益乘積”定義本身帶來的誤差就很可觀。例如：匸3堆誤差為+5%；

10、f=5fp,誤差為2%；只有（f/fp2»1其誤差才可以被忽略。理論分析和實驗都證明，當(dāng)伺趨近于1時.曲線會上翹并且沒有規(guī)律，因此該儀器的測量范圍在-6dB/倍頻程區(qū)內(nèi)選卩=26,這對絕大部分管型來說，可以確保（f/邙2»1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)的某頻率下測得其交流短路電流放大系數(shù)創(chuàng)就可依fT=f|P|求得fT?；魻栃?yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的效應(yīng).從本質(zhì)上講.霍爾效應(yīng)是運(yùn)動的帶電粒子在磁場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的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷

11、在不同側(cè)的聚積，從而形成附加的橫向電場。如右圖（1）所示，磁場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si（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si相反的X負(fù)向運(yùn)動。由于洛倫茲力Lf的作用.電子即向圖中虛線箭頭所指的位于y軸負(fù)方向的B側(cè)偏轉(zhuǎn)，并使B側(cè)形成電子積累.而相對的A側(cè)形成正電荷積累。與此同時運(yùn)動的電子還受到由于兩種積累的異種電荷形成的反向電場力Ef的作用。隨著電荷積累量的增加，Ef增大，當(dāng)兩力大小相等（方向相反）時，Lf=-Ef.則電子積累便達(dá)到動態(tài)平衡。這時在A、B兩端面之間建立的電場稱為霍爾電場HE,相應(yīng)的電勢差稱為霍爾電壓HV。

12、霍爾元件測量磁場的基本電路如圖2,將霍爾元件置于待測磁場的相應(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si,霍爾元件的霍爾電壓輸出端接毫伏表.測量霍爾電勢HV的值。圖（2五、實驗步驟：1、圖示儀測晶體管特性（1）按下電源開關(guān).指示燈亮，預(yù)熱15分鐘后，即可進(jìn)行測試。（2）調(diào)節(jié)輝度、聚焦及輔助聚焦.使光點清晰。（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)置于測試所需位置。（4）對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，將極性、串聯(lián)電阻置于合適擋位，調(diào)節(jié)級/簇旋鈕，使階梯信號為10級/簇，階梯信號置重復(fù)位置。（7）

13、插上被測晶體管，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Vce=lV時最上面一條曲線(每條曲線為20FiA,最下面一條IB=0不計在內(nèi))IB值和Y軸IC值.可得hFE=BC11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P=BCIIAA2、霍爾效應(yīng)(1) 斷開勵磁線圈電流，調(diào)節(jié)霍爾控制電流ICH=10.00niA,測量霍爾元件不等位電勢。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00.00111Vo然后斷開勵磁電流調(diào)節(jié)霍爾元件離開電磁鐵以免電磁鐵剩磁影響測量數(shù)據(jù)。最后調(diào)節(jié)霍爾控

14、制電ICH=10.00niA,連接好電壓表和霍爾輸出接線柱，記錄數(shù)據(jù)V13(控制電流從霍爾元件的1端流向3端)和V31(控制電流從霍爾元件的3端流向1端)(2) 測量霍爾電壓，調(diào)節(jié)電磁勵磁電流IM=400niA,對于Si材料，霍爾控制電流ICH=1.00,2.00,3.00,4.00,5.00,6.00,7.00,8.00,9.00,10.00mAo測量霍爾電壓V,然后繪ICH-VH曲線，驗證線性關(guān)系。首先連接好實驗裝置與電源的連線。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)勵磁電流IM=400niA,依次改變勵磁電流方向，改變霍爾控制電流方向，然后記錄。(3) 對于Si材料

15、，調(diào)節(jié)霍爾控制電流ICH=10.00niA,調(diào)節(jié)電磁鐵勵磁電流IM=50,100,200.lOOOniA測量霍爾電壓，然后繪制IM-VH曲線，驗證線性關(guān)系的范圍，分析氣隙磁場，在電磁勵磁電流IM=800niA,IM-VH直線下跌的原因。首先連接好實驗裝置與電源的連線，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ICH=10.00niA,依次改變勵磁電流方向，改變霍爾控制電流方向。最后記錄實驗結(jié)果六、數(shù)據(jù)記錄：晶體管實驗數(shù)據(jù):表1V=8VIg(MA)21050100200500100CP24406469.470.46425IB卡10IB(MA)Ib246P24283

16、2Ib354045P596163Ib1101201302440表2V=8V1q(MA)21050100200500100CP24406469.470.46425Ib2468101520253(P24283236404549535tIb35404550607080901CP59616364666768696SIb2002102202302402502602702EP70.470.370.370.370.270.17069.96SIb29030032034037040042044045P69.769.669.4696&6686766Ib50053055058061064067070072P

17、646362616059575553Ib7607908208508809109409701CP51484542393633292f1Ib200210220P70.470.370.3Ib290300320P69.769.669.4Ib500530550P646362Ib760790820P514845Ia(mA)V.(mV)V2(mV)V3(mV)+B,+I(i-B,+Ia+B,-Io1.00-2.482.482.48霍爾效應(yīng)實驗表格:表3VH-ICHMI=400niAIb2002102202302402502604P70.470370.370.370.270.170(Ib29030032034

18、0370400420zP69.769.669.46968.66867<3.00-7.427.437.36-7.427.40754.00-9.889.889.84-9.859.86255.00-12.3212.3112.28-12.2912.36.00-14.7814.7814.74-14.7514.76257.00-17.2517.2417.21-17.2217.23&00-19.7619.7519.69-19.7019.7259.00-22.2322.2122.19-22.2122.2110.00-24.7124.702466-24.6824.6875|(74Q75|3.00-

19、7.427.437.364.00-9889.889.845.00-12.3212.3112.286.00-14.7814.7814.747.00-17.2517.2417.21表4VH-IMICH=1000mAgO-60.41-54.67g5466g295P-54.74g3554.6975g4K艮s9O8s7g6O5O4s3Ooo聲Qo.墾oooooA3£doAay/v§=2422215胡-*24云b33ioooo7k3kA1I9于/>VbZ曽6622z2toF32OO99OO47QOdo1F-<Qw/*§=122211二22122919oo5fc34

20、:u1s246QOa222157二2314239868伐.3775|900-54.6754.6654.72?c-1實驗結(jié)論：1、當(dāng)霍爾電壓保持恒定，改變勵磁電流時.測量得到的霍爾電壓隨勵磁電流的增加而增加，通過作圖發(fā)現(xiàn)二者之間也滿足線性關(guān)系。2、當(dāng)勵磁電流保持恒定，改變霍爾電流時.測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、對霍爾效應(yīng)測量方法的改進(jìn)：7.1儀器的選取我們做的“霍爾效應(yīng)測磁場”所用儀器為螺線管磁場實驗儀與霍爾效應(yīng)測試儀，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)思維和自制裝置測磁場的能力。我們選取的磁場源為一對條形磁鐵；霍爾元件是一

21、霍爾片（其霍爾系數(shù)和最大限制電流已知；毫伏表一只，用來測量霍爾電壓;毫安表一只,用來測量霍爾電流;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，用來確定所測點的坐標(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實驗裝置設(shè)計本實驗所依據(jù)的原理仍為霍爾效應(yīng)測磁場原理，測量三維空間的磁場分布是測量二維空間磁場分布的擴(kuò)展，在這里，我們以測量二維

22、空間磁場分布為例來設(shè)計實驗裝置。由所選器件進(jìn)行設(shè)計裝置線路的具體思路為所測對象為一對條形磁鐵周圍產(chǎn)生的磁場,條形磁鐵需要固定，這里用一塊有機(jī)玻璃作為支撐物，用乳膠將條形磁鐵將其固定；為了測霍爾電壓和電流，需要將霍爾片的兩對邊焊接上導(dǎo)線，由于霍爾片較小，在實驗時為了獲得可靠的數(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。因為某點的磁場具有方向，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

23、一挖去中心的量角器指示霍爾片的法線方向。實驗裝置簡圖如圖1所示。磁鐵電源毫伏表1、IsN；*個至圧磁鐵霍爾片（鑲隕于細(xì)桿下端）、X、量角器X.底托：、底板（背面印有坐標(biāo)）支架圖1霍爾效應(yīng)測最二維空間磁場分布的實驗裝置簡圖7.3實驗方案及方法本實驗所測對象為一對條形磁鐵在二維空間（水平面內(nèi)的磁場分布設(shè)計的具體方案為將霍爾片放置于所測磁場中的任意位置，令其轉(zhuǎn)動一周，觀察測得霍爾電壓的大小及霍爾片法線的方向，當(dāng)霍爾電壓最大時對應(yīng)的磁感強(qiáng)度值即為該點的磁場大小，此時霍爾片的法線方向即為該點磁場的方向，從而可將所測點的磁場確定下來。改變霍爾片的位置，即可確定出二維空間中各點的磁場。此方法可擴(kuò)展到測量三維

24、空間的磁場分布。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lOniAo（3將霍爾片放置于未知磁場的某一點，令其法線在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動一周,觀察霍爾電壓的變化。(4記下最大霍爾電壓值(UHmax,此時由公式B=(UHinax/(kHIs算出的磁感強(qiáng)度值即為該點磁場的大小;記下量角器上霍爾片的法線方向?qū)?yīng)的角度，即為該點磁場的方向。(5改變霍爾片的位置，重復(fù)(3、(4步驟，即可測得二維空間中各點的磁場大小及方向。2實驗結(jié)果及分析實驗中所用霍爾片的霍爾系數(shù)K

25、H=2.3mV/(niAxT,工作電流Is=6.7niAo以兩塊條形磁鐵中心連線的中點為坐標(biāo)原點,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。6為霍爾片法線方向與x軸正向之間的夾角，即所測點的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與x軸正向之間的夾角。B為所測點的磁感強(qiáng)度值。所測二維空間的磁場分布數(shù)據(jù)見表lo表1數(shù)據(jù)是對一對條形磁鐵產(chǎn)生磁場在二維空間分布的部分?jǐn)?shù)據(jù)，如果測量點足夠多、則可描繪出整個二維空間的磁場分布。如果在三維空間中各點處，將霍爾片法線方向轉(zhuǎn)動一周,觀測出各點的最大霍爾電壓值及此時的霍爾片法線在三維空間的方位，則可得出三維空間中的各點磁場大小及方向，從而可描繪出三維空間的磁場

26、分布。3方案優(yōu)缺點分析對于現(xiàn)在大學(xué)物理實驗中的“霍爾效應(yīng)測磁場”項目，所用裝置中的霍爾片只能沿螺線管中軸線移動，且霍爾片法線方向只能保持水平而不能轉(zhuǎn)動，所以只能測出螺線管中軸線上的磁場分布，而無法測量周圍磁場。本實驗方案克服了以上缺點，可以使霍爾片在未知磁場中隨意移動、且霍爾片法線方向可隨意轉(zhuǎn)動，根據(jù)霍爾效應(yīng)測磁場原理通過將霍爾片法線在空間任一點轉(zhuǎn)動，觀測最大霍爾電壓值及此時霍爾片的法線方向,確定出所測點的磁場大小及方向。因而該實驗可測量空間任一點的磁場。本實驗方案著重對大學(xué)物理實驗中“霍爾效應(yīng)測量磁場”實驗方法的改進(jìn)，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維但對消除一些實驗附加效應(yīng)、實驗數(shù)據(jù)精度等考慮不多。如

27、果想消除附加效應(yīng)，同樣可以通過改變霍爾電流和磁場方向來消除，利用精度比較高的電表來提高實驗數(shù)據(jù)精度。«I客爾效RSI二it空閻的IB場分AB*角度5學(xué)機(jī)on)OB血E牛択cm)(0.0)00.OT7M(0.1)0009734(4.1)15OO362R(VI)200.11032(03)0009085(3300.10383(3,-3)300.09734300(*436(4.5)-55009085(3.-5)40009085(Orl)00.09734(d.l)IS0.I0MJ(4.-I)ISOJg(0.-3)0009085(-1.3)250.097M(4.-3>300.10383(Ot.5>00