硅材料的熱特性分析1

1、微電子實(shí)驗(yàn)專業(yè)班級(jí)：電子 24 班 姓名：任謙 學(xué)號(hào)：2120501080 組別：16組 同組者：薛迪、蘇原、王嘉琪、王述琪、吳超一、 實(shí)驗(yàn)名稱硅材料熱特性測(cè)量分析二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊园雽?dǎo)體硅單晶材料制成的硅正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻器件和 pn 結(jié)二極管 為測(cè)試對(duì)象，學(xué)習(xí)測(cè)量半導(dǎo)體材料熱電綜合特性的實(shí)驗(yàn)方法以及其實(shí)驗(yàn)裝置，了 解 pn 結(jié)正向壓降隨溫度變化的基本關(guān)系式。在恒定正向電流條件下，測(cè)繪 pn 結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線，并由此確定其靈敏度及被測(cè) pn 結(jié)材料的禁帶寬度。 學(xué)習(xí)用 pn 結(jié)測(cè)溫的方法。了解熱敏電阻，pn 結(jié)二極管的電輸運(yùn)的微觀機(jī)制及其 與溫度的關(guān)系。掌握半導(dǎo)體材料的熱電特性知識(shí)

2、，達(dá)到對(duì)半導(dǎo)體硅材料的熱敏特 性的認(rèn)識(shí)，并了解其工作原理和測(cè)試方法。三、實(shí)驗(yàn)原理影響半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性的首要因素表現(xiàn)在載流子濃度和載流子的遷移率，載 流子濃度和載流子遷移率都隨溫度變化，所以半導(dǎo)體導(dǎo)電性強(qiáng)烈地隨溫度變化。 當(dāng)溫度升高時(shí)，由于電子散射原因，電子遷移率減小，電阻率隨溫度升高而增大。 PN 結(jié)的正向電壓降與其正向電流和溫度有關(guān)，當(dāng)正向電流保持不變時(shí)，則正向 壓降只隨溫度變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的正向特性曲線向左移動(dòng)。這是因?yàn)?溫度升高時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，產(chǎn)生同意正向電流所需的壓降減小。當(dāng)溫度升高時(shí)， 二極管的反向特性曲線向下移動(dòng)。這是因?yàn)殡S溫度升高，本證激發(fā)加強(qiáng)，半導(dǎo)體 中少子數(shù)目增多

3、，在同意反向電壓下，漂移電流增大。A：硅材料載流子遷移率的溫度特性 1、 遷移率與溫度的關(guān)系摻雜的硅半導(dǎo)體主要散射結(jié)構(gòu)是電離雜質(zhì)散射和聲學(xué)波散射。電離雜質(zhì)隨溫 度升高遷移率增大，隨雜質(zhì)增加遷移率減?。宦晫W(xué)波是隨溫度升高遷移率下降。 當(dāng)摻雜濃度較低時(shí)，可忽略電離雜質(zhì)影響。當(dāng)摻雜濃度較高時(shí)，低溫晶格振動(dòng)較 弱，晶格振動(dòng)散射比電離雜質(zhì)散射弱，所以隨溫度升高遷移率緩慢增大；溫度高 時(shí)，晶格振動(dòng)加強(qiáng)，遷移率隨溫度升到而降低。高溫下，主要是光學(xué)散射，溫度較低時(shí)，主要是雜質(zhì)離子散射，常溫下，主 要是晶格熱振動(dòng)散射。對(duì)電離雜質(zhì)散射，有：聲學(xué)波散射：總遷移率為：2、電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 電阻率決定于載流子的濃

4、度和遷移率，當(dāng)半導(dǎo)體中同時(shí)需要考慮電子和空穴兩種載流子時(shí)，N 型半導(dǎo)體，電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度時(shí)，P 型半導(dǎo)體，電子濃度遠(yuǎn)小于空穴濃度時(shí)，本征半導(dǎo)體，電子濃度等于空穴濃度時(shí)，電阻率與雜志濃度的關(guān)系：輕摻雜時(shí)，室溫下雜質(zhì)全部電離，載流子濃度近 似等于雜質(zhì)濃度，而遷移率隨雜質(zhì)濃度的變化不大，與載流子濃度的變化相比較， 可以認(rèn)為遷移率幾乎為常數(shù)，所以隨雜質(zhì)濃度升高而電阻率下降，若對(duì)電阻率濃 度取對(duì)數(shù)，則電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系是線性的。摻雜濃度較高時(shí)，由于室溫下 雜質(zhì)不能全部電離，簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中，電離程度下降更多，使載流子濃度小于雜質(zhì) 濃度；又由于雜質(zhì)濃度較高時(shí)遷移率下降較大。這兩個(gè)原因使得電阻率隨雜質(zhì)

5、濃 度升高而下降。本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化關(guān)系有很大不 同，不同的半導(dǎo)體材料在不同的溫度下其本征濃度不同，并且可用下式表示：隨溫度升高，本征載流子濃度增加，本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度升高而單調(diào)下 降。對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體，電阻率隨溫度的變化又要復(fù)雜些。對(duì) N 型半導(dǎo)體，由可得少子濃度，它強(qiáng)烈地依賴于溫度的變化。雜質(zhì)電離程度與溫度、摻雜濃度及雜質(zhì)電離能有關(guān)，溫度高，電 離能小，有利于雜質(zhì)電離。通常所說(shuō)的室溫下全部電離，是忽略了雜質(zhì)濃度的限 制。3、 電阻率隨溫度的關(guān)系 如圖所示為一般摻雜半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化的示意圖。由圖可得，電阻率的變化可以分為三段：AB 段：低溫區(qū)段溫度很低，本

6、證激發(fā)可以忽略，載流子主要有雜質(zhì)雜志電 離提供，它隨溫度升高而增加；散射主要由雜質(zhì)電離決定，遷移率也隨溫度升高 而增大，所以，電阻率隨溫度升高為增大。BC 段：電離飽和區(qū)段，溫度繼續(xù)升高，雜質(zhì)已全部電離，本征激發(fā)還不十 分顯著，載流子基本上部隨溫度變化，晶格振動(dòng)散射上升為主要矛盾，遷移率隨 溫度升高而降低，所以，電阻率隨溫度升高而增大。C 段：本征激發(fā)區(qū)段，溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)很快增加，大量本征載流子 的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)遷移率的減小對(duì)電阻率的影響，這時(shí)，本征激發(fā)成為矛盾的主要 方面，雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率將隨溫度的升高而急劇下降，表現(xiàn)出同本征半導(dǎo)體相 似的特性。對(duì)于非補(bǔ)償和輕補(bǔ)償?shù)牟牧希潆娮杪士梢?/p>

7、反映出它的雜質(zhì)濃度。對(duì)于高度補(bǔ)償?shù)牟牧?，因?yàn)檩d流子濃度很小，電阻率很高，并無(wú)真正說(shuō)明材料很純，而是 這種材料雜質(zhì)很多，遷移率很小，不能用于制造器件。硅材料熱特性測(cè)量在實(shí)驗(yàn) 中是利用半導(dǎo)體電阻率與電子濃度和電子遷移了成反比，由于電子散射原因，電 子遷移率減小，電阻率隨著溫度升高而正大這個(gè)特性來(lái)進(jìn)行分析的。主要公式：B：PN 結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系理想的 PN 結(jié)的正向電流 IF 和正向壓降 VF 存在如下關(guān)系式：其中 q 為電子電荷；k 為玻爾茲曼常數(shù)；T 為絕對(duì)溫度；Is 為反向飽和電流， 它是一個(gè)和 PN 結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度有關(guān)的系數(shù)，可以證明：其中 C 是與結(jié)面積、摻雜濃度等有關(guān)的常數(shù)

8、 r 也是常數(shù)；Vg(0)為絕對(duì)零度 時(shí) PN 結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差。將（2）式帶入（1）式，兩邊取對(duì)數(shù) 可得其中方程（3）就是 PN 結(jié)正向壓降對(duì)于電流和溫度的函數(shù)表達(dá)式，它是 PN 結(jié)溫度傳感器的基本方程。令 If=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化，但是在方 程（3）中還包含非線性項(xiàng) Vn1。下面來(lái)分析一下 Vn1 項(xiàng)所引起的線性誤差。設(shè) 溫度由 T1 變?yōu)?T 時(shí)，正向電壓由 VF1 變?yōu)?VF，由（3）式可得：按理想的線性溫度響應(yīng)，Vf 應(yīng)取如下形式由（3）式可得所以T1=300K，T=310K，取 r=3.4，可得實(shí)際響應(yīng)對(duì)線性的理論偏差為 T1=300K，T=310K，取

9、r=3.4，由（8）式可得 ，而相應(yīng)的 VF 的改變量約為 20mV，相比之下誤差甚小。不過(guò)當(dāng)溫度變化范圍增大時(shí)，Vf 溫度 響應(yīng)的非線性誤差將有所遞增，這主要由于 r 因子所致。綜上所述，在恒流供電條件下，PN 結(jié)的 Vf 對(duì) T 的依賴關(guān)系取決于線性項(xiàng) V1， 即正向壓降幾乎隨溫度升高而線性下降，這就是 PN 結(jié)測(cè)溫的理論依據(jù)。必須指 出，上述結(jié)論僅適用于雜質(zhì)全部電離，本征激發(fā)可以忽略的溫度區(qū)間（對(duì)于通常 的硅二極管來(lái)說(shuō)，溫度范圍約-50150）。如果溫度低于或高于上述范圍時(shí)，由 于雜質(zhì)電離因子減小或本征載流子迅速增加，VF-T 關(guān)系將產(chǎn)生新的非線性，這 一現(xiàn)象說(shuō)明 VF-T 的特性還隨

10、PN 結(jié)的材料而異，對(duì)于寬帶材料（如 GaAs， Eg=1.43eV）的 PN 結(jié)，其高溫端的線性區(qū)則寬；而材料雜質(zhì)電離能?。ㄈ?InSb） 的 PN 結(jié)，則低溫端的線性范圍寬。對(duì)于給定的 PN 結(jié)，即使在雜質(zhì)導(dǎo)電和非本征。激發(fā)溫度范圍內(nèi)，其線性度亦隨溫度的高低而有所不同，這是非線性項(xiàng)引起的，由對(duì) T 的二階導(dǎo)數(shù)可知， 的變化與成反比，所以 VF-T 的線性度在高溫端優(yōu)于低溫端，這是 PN 結(jié)傳感器的普遍規(guī)律。減小 IF，可以改善線 度，但并不能從根本上解決問(wèn)題，目前行之有效的方法大致有兩種：1利用對(duì)管的兩個(gè) be 結(jié)（將三極管的基極與集電極短路與發(fā)射極組成一個(gè) PN 結(jié)），分別在不同電流 I

11、F1、IF2 下工作，由此獲得兩者之差（IF1-IF2）與溫 度成線性函數(shù)關(guān)系，即由于晶體管的參數(shù)有一定的離散型，實(shí)際值與理論值仍存在差距，但由于單 個(gè) PN 結(jié)相比其線性度與精度均有所提高，這種電路結(jié)構(gòu)與恒流、放大等電路集 成一體，便構(gòu)成電路溫度傳感器。2采用電流函數(shù)發(fā)生器來(lái)消除非線性誤差。由（3）式可知，非線性誤差來(lái)自項(xiàng)，利用函數(shù)發(fā)生器，IF 比例于絕對(duì)溫度的 r 次方，則 VF-T 的線性理論誤差為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值比較一致，其精度可達(dá) 0.01。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：A：硅材料載流子遷移率的溫度特性 1、 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、開(kāi)啟加熱爐電源開(kāi)關(guān)及加熱開(kāi)關(guān)；開(kāi)啟電腦；開(kāi)啟溫控儀前面板的黃色 開(kāi)

12、關(guān)，此時(shí)黃色示數(shù)為室溫。2、 辨別晶體管管腳，并插入萬(wàn)用表左下角 NPN 管的對(duì)應(yīng)接口。3、 調(diào)節(jié)電源電壓打開(kāi)直流電壓源總開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)電壓檔旋鈕至 35V 檔，調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)旋鈕， 使安培表電流示數(shù)為 1mA。4、 打開(kāi)測(cè)試軟件5、 設(shè)置溫度序列 根據(jù)提示分別輸入儀器盒上顯示的當(dāng)前溫度和適當(dāng)?shù)臏囟乳g隔（溫度最 高不超過(guò) 80），確認(rèn)無(wú)誤后，點(diǎn)擊“確定溫度序列”。6、 采集電壓值 點(diǎn)擊采集電壓下方的“確定”按鈕，記錄當(dāng)前溫度下的電壓信息。7、 關(guān)閉直流電壓源 旋轉(zhuǎn)直流電壓源的細(xì)調(diào)旋鈕至最小值，旋轉(zhuǎn)電壓檔旋鈕至 off，關(guān)閉直流 電壓源總開(kāi)關(guān)。8、 讀出此時(shí)萬(wàn)用表測(cè)得的放大倍數(shù)并記錄。9、 改變空腔溫度

13、設(shè)置電路初溫和末溫度。單擊溫控儀控制版面“SET”鍵，通過(guò)調(diào)節(jié)左右 兩個(gè)鍵，設(shè)定末溫（溫度序列中的下一個(gè)值，溫控儀控制版面上的綠色 讀數(shù)），兩次單擊“SET”鍵，打開(kāi)溫控儀后板面上的綠色按鈕，則加熱 棒開(kāi)始加熱。10、加熱完畢并測(cè)量 待溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，會(huì)發(fā)出警示音，重復(fù)步驟 4、7、8、9由于加熱 棒預(yù)熱，溫度仍在上升。11、對(duì)不同的溫度進(jìn)行測(cè)量 每隔一定的溫度間隔，重復(fù)步驟 7、8、9、10、11，共測(cè)試 6 個(gè)溫度。12、記錄數(shù)據(jù)并作分析B：PN 結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系 1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢查與連接2打開(kāi)電流開(kāi)關(guān)，預(yù)熱幾分鐘后，此時(shí)測(cè)試儀上將顯示出室溫 TR，記錄下 起始溫度 TR。3調(diào)節(jié) IF

14、=50 A，將 K 撥到 VF，記下 VF（TR）的值，再將 K 置于 V，調(diào)V=0。 4測(cè)定 V-T 曲線 開(kāi)啟加熱電流，逐步提高加熱電流進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，并記錄對(duì)應(yīng)的 V 和 T（每 改變 10mV 讀取一組 V、T 值），升溫緩慢，范圍在 60以內(nèi)。5以 T 為橫坐標(biāo)， V 為縱坐標(biāo)，作 V-T 曲線，其斜率即為被測(cè) PN 結(jié) 正 向壓降隨溫度變化的靈敏度 S（mV/）。6估算被測(cè) PN 結(jié)材料的禁帶寬度。7數(shù)據(jù)記錄8改變工作電流 IF=100 A 重復(fù)上述步驟，比較兩組結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：半導(dǎo)體器件熱電綜合特性圖 SEQ 圖 * ARABIC 1 測(cè)試電路結(jié)構(gòu)原始數(shù)據(jù)溫度并聯(lián)三極管三

15、極管二極管1二極管2電阻1電阻2180.5990.6170.6190.6040.9270.725280.5900.6060.6100.5950.9430.733380.5730.5880.5980.5810.9910.772480.5540.5680.5800.5661.0600.769580.5340.5460.5620.5491.1300.786680.5130.5280.5440.5331.2010.802圖形如下：電阻R-T圖電阻1曲線：Y=5.7143X+-763.7143電阻2曲線：Y=1.5457X+276.0543二極管V-T圖二極管1曲線：Y=-0.0015X+1.0703二

16、極管2曲線：Y=-0.0015X+1.0300三極管V-T圖曲線：Y=0.000080X+-0.0403三極管曲線： Y=-0.0018X+1.1578六、實(shí)驗(yàn)思考題：1、影響半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的因素有哪幾個(gè)方面？ 載流子的濃度和載流子的遷移率。2、為什么載流子濃度是決定半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的首要因素？對(duì)于高度補(bǔ)償?shù)牟牧?，因?yàn)檩d流子濃度很小，不能用于制造器件。對(duì)于非補(bǔ)償和輕補(bǔ)償?shù)牟牧?，它的雜質(zhì)濃度決定半導(dǎo)體導(dǎo)電性能，而雜質(zhì)濃度基本上就是載流子濃度。3、 半導(dǎo)體中遷移率與溫度以及雜質(zhì)濃度的關(guān)系？ 摻雜濃度較低時(shí)，遷移率隨溫度升高遷移率下降。摻雜濃度較高時(shí)，低溫時(shí)遷移率隨溫度的升高緩慢增大，高溫時(shí)隨溫度

17、的升高而降低。4、 半導(dǎo)體的主要散射機(jī)構(gòu)有幾種？ 有兩種，電離雜質(zhì)散射和聲學(xué)波散射。5、 為什么遷移率的溫度特性是材料中各種散射的溫度效應(yīng)所致？ 摻雜的硅半導(dǎo)體主要散射結(jié)構(gòu)是電離雜質(zhì)散射和聲學(xué)波散射。電離雜質(zhì)隨溫度升高遷移率增大，隨雜質(zhì)增加遷移率減??；聲學(xué)波是隨溫度升高遷移率下降。同時(shí)存在這兩種散射機(jī)構(gòu)時(shí)，就要考慮它們的共同作用對(duì)遷移率的影響。6、 解釋不同的散射機(jī)構(gòu)，遷移率的溫度關(guān)系不同？ 電離雜質(zhì)散射：隨著溫度的升高遷移率增大。聲學(xué)波散射：隨溫度的升高遷移率下降。7、 二極管具有什么特點(diǎn)，為什么？ 二極管的伏安特性具有非線性，二極管具有單向?qū)щ娦?，二極管的伏安特性與溫度有關(guān)8、 溫度，管材對(duì)二極管的特性和參數(shù)有何影響？ 當(dāng)溫度升高時(shí)，反向擊穿電壓減小，擊穿現(xiàn)象是由于大的反向電流使少數(shù)載