半导体器件性能测试实验数据处理示例及思考题参考答案.pdf

半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 1 为保证实验数据的真实性 在本文中特将实验测得数据及初步计算所得数据 留空 各表格中的测得数据用蓝色标注 计算数据用红色标注 2 本文中所有的关系曲线图均使用 Origin 软件绘制 部分数据的处理亦使用该 软件 推荐使用 Origin 软件处理数据 软件下载 3 实验讲义中部分重要公式及物理量单位存在错误 本文中已做修正并标注 4 各项计算所使用的常量值及注意事项在本文中已列出 5 数据处理过程及思考题答案仅供参考 6 数据处理一键计算见 数据处理 V1 1 xlsx 7 修订日期 2015 年 12 月 11 日星期五 2015 年 12 月 目录 实验一 表面势垒二极管的伏安特性 2 实验二 集成 与非 门电路的直流特性测试 5 实验三 晶体管动态参数特性检测实验 7 实验四 晶体管 BJT 直流参数的测量 8 实验五 P N 结势垒电容的测量 10 实验六 光电器件性能测试与应用 13 实验七 MOS 管静态参数的测试 14 实验八 晶体管特征频率的测量 18 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 2 20 实验一 表面势垒二极管的伏安特性 数据处理 表 1 1 测试结果及初步数据处理 V V V VR V VR V I mA ln I V V V VR V VR V I mA ln I 根据上表中ln I与V的关系使用 Origin 软件绘制拟合曲线 如下 图 1 1 lnIV 曲线 曲线拟合结果为ln IV 1 求解n因子 上式中斜率 B 可用公式求解n因子 1q n kT B 2 求解势垒高度 n B 2 0 ln n kTAST B qI 实验要求使用半对数坐标进行绘制 此处将纵坐标转换为自然对数形式 实验讲义中对应公式有误 R V I R 50Rk 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 3 20 上式中 A是理查德常数 22 8 7 AA cmK S 是势垒二极管的结面积 32 5 10Scm T为测试温度 此处建议使用室温 即298TK 6 8 63 10 keVK 19 1 6 10qC 0 I可由lnI V 曲线的纵截距读出 实验讲义中对应单位有误 实验讲义中对应单位有误 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 4 20 思考题 1 金属和半导体接触时 为什么在半导体表面会产生空间电荷层 金属和半导体的功函数W不同 因此费米能级具有一定的差值 电子会从费米能级高的 一侧流向低的一侧 电离的施主和受主之间形成空间电荷层 2 表面势垒二极管外加电压后 势垒有何变化 电流是如何流动的 当外加电压为正向时 势垒降低 电子由半导体流向金属 电流由金属流向半导体 当外加电压为反向时 势垒升高 电子由金属流向半导体 电流由半导体流向金属 3 实际的金半接触伏安特性与理想的有何区别 n 因子偏离 正向串联电阻大 反向漏电流大 4 实际的金半接触势垒高度同简单的模型有什么偏离 理想情况下 0 qV nkT II e 中的1n 但实际情况下由于n略大于 1 正向串联电阻大 反向漏电流大 由于半导体侧的电子在金属一侧感应出等效正电荷 使得半导体电子势 垒降低 5 本实验为什么要用半对数纸作图 I如何选取比较合理 电流数量级小 用半对数纸处理更加直观 取点均在直线边缘两侧 IV 特性呈现指数变化趋势 6 为什么正向连接的二极管 在小电流时阻抗很大 而在大电流时阻抗很小 阻抗与空间电荷区宽度有关 空间电荷区越宽 阻抗越大 大电流时 空间电荷区部分电荷被复合掉 导致空间电荷区变窄 阻抗变小 小电流时 阻抗变大 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 5 20 实验二 集成 与非 门电路的直流特性测试 数据处理 表 2 1 与非 门 CT74H20 的输入输出电压关系 B 点 B C 之间任意测量三个点 C 点 C D之间任意测量三个点 D 点 Vin V Vout V 图 2 1 与非 门 CT74H20 的电压传输特性曲线 表 2 2 与非 门 CT74H20 典型参数 开门电压 Vkm V 0 811 关门电压 Vgm V 1 120 输出高电平 Vcg V 4 41 输出低电平 Vcd V 0 22 输入短路电流 Ird mA 1 33 空载通道功耗 Pkt mW 6 65 空载通道功耗 ktrdc PIE 其中5 0 c EV 实验讲义中对应单位有误 开门电压为 D 点对应横坐标 关门电压为 C 点对应横坐标 输出高电平为 B 点对应纵坐标 输出低电平为 D 点对应纵坐标 短路电流为实验测得数据 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 6 20 思考题 1 一个 TTL 集成门电路能够驱动多大的直流负载 当输出为低电平时 设该 TTL 集成门电路能够驱动 1 N个非门 1max ILOL NII 当输出为高电平时 设该 TTL 集成门电路能够驱动 2 N个非门 2max IHOH NII 取 12 min NN N 2 试述 CMOS 集成电路与 TTL 集成电路的特点 CMOS 集成电路 抗干扰能力强 逻辑摆幅大 输入阻抗高 温度稳定性好 扇出能力强 抗辐射能力好 可控性好 TTL 集成电路 速度快 传输延迟短 功耗大 驱动能力强 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 7 20 实验三 晶体管动态参数特性检测实验 数据处理 根据各参数值 绘制相应的特性曲线 思考题 1 引起三极管击穿低的原因有哪些 三极管中有两个不同半导体材料结合部形成的 PN 结 正常工作电压下 发射结工作在 正向偏置 集电结工作在反向偏置 当集电结上的反向电压超过其能够承受的反向电压 时 该电压就会将集电结形成的电子阻档层击穿 导致三极管损坏 还有一种击穿是流 过集电结的电流过大 引起集电结发热 该反向击穿电压随温度升高耐压降低 形成工 作过程中的击穿 这种通常称为热击穿 2 写出晶体管直流放大倍数和击穿电压的表达式 直流放大倍数 共基极 0CC B II I 共射极 1 FE h 1 000 1 n n CECBCBFE BVBVBVh 01 1 1 CB CB n V BV M 其中M为雪崩倍增因子 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 8 20 实验四 晶体管 BJT 直流参数的测量 数据处理 表 4 1 P N P 型 Ge 晶体管的直流放大系数测量 IB A 15 20 25 30 35 40 45 50 55 IC mA 饱和 VCE V 由表中数据可读出 该管的饱和压降 CES VV 为集电极电流 C I达到饱和时对应的 CE V 表 4 2 N P N 型 Si 晶体管的直流放大系数测量 IB A 10 20 30 40 50 IC mA VCE V 由于实验条件限制 本次测量无法读出该管的饱和压降 表 4 3 P N P 型 Ge 晶体管的其他参数测量 集电极 基极反向饱和电流 ICB0 A 集电极 发射极反向饱和电流 ICE0 A C B I I 下同 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 9 20 思考题 1 在什么条件下能使三极管进入饱和状态 使三极管的发射结和集电结同时正偏 对于一个 N P N 晶体管 要求基极电位较高 即0 0 BEBC VV 2 集电极 发射极反向饱和电流太大时将破坏管子的正常使用 试问在实际电路设计中你 会采取哪些措施 可增加集电极串联电阻 以达到限流作用 从而防止由于 0CE I 过大而破坏管子的正常使 用 3 请写出用万用表测找 N P N 和 P N P 三极管各电极的步骤 首先找到基极即最中间的引脚 万用表电阻档的黑表笔 电源正极 下同 接到基极 红表笔 电源负极 下同 接到 基极以外的任意一个引脚 若导通 即电阻较小 则为 N P N 三极管 若不导通 即电 阻较大 则为 P N P 三极管 万用表电阻档的红表笔接到基极以外的一个引脚上 黑表笔接到基极以外的另一个引脚 上 测量一次电阻 将红黑表笔位置对调后再测量一次电阻 对于 N P N 三极管 电阻较小的一次测量时 黑表笔接的是集电极 红表笔接的是 发射极 对于 P N P 三极管 电阻较小的一次测量时 黑表笔接的是发射极 红表笔接的是 集电极 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 10 20 实验五 P N 结势垒电容的测量 数据处理 表 5 1 3AX31突变结结电容 X C 与偏压V关系 测试条件 CpF 测试时直流偏压值由大到小测量 V V 0 4 0 6 1 0 3 0 6 0 10 0 15 0 C pF CX pF 本次实验中忽略分布电容 S C的存在 认为 XS CC 下同 图 5 1 3AX31突变结结电容 XT CC 与偏压V关系曲线 双对数坐标 表 5 2 3DG12缓变结结电容 X C 与偏压V关系 测试条件 CpF V V 0 4 0 6 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 C pF CX pF 本实验中忽略分布电容的存在 因实验数据不准确 故此关系曲线不准确 双对数坐标指的是两个坐标轴的单位长度都是经过对数计算后的平面坐标系 建议使用 Origin 软件绘制 X CCC X CCC 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 11 20 图 5 2 3DG12缓变结结电容 XT CC 与偏压V关系曲线 双对数坐标 利用公式计算突变结的势垒厚度 和杂质浓度 p N与缓变结势垒厚度 和杂质浓度梯度 j a 突变结 1 2 0 2 D p VV q N 1 2 0 2 p T D q N CA VV 缓变结 1 3 0 12 D j VV q a 1 22 3 0 12 j T D q a CA VV 上述各式中 电子电荷 19 1 6 10qC 真空介电常量 12 0 8 854 10 F m 以下参数适用于 3AX31突变结相关计算 以下参数适用于 3DG12缓变结相关计算 0 3 D VGeV 0 8 D VSiV 16 0Ge 11 8Si 3 32 1 5 103AAmXc 1 22 2 1 5 103cGAmD 在计算时应注意 V是反向偏压 为负值 故有 DD VVVV XT CC 取直流偏压 6 0VV 时对应的电容值 对于缓变结 使用5 0VV 时对应的电容值做近似计算 实验讲义中对应公式有误 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 12 20 思考题 1 图 5 中各元件的作用 左侧 g u 1 R C L组成谐振电路 产生谐振 右侧电路为二极管 X C 提供直流偏压 电感 1 L将来自左侧的高频信号滤出 电容 1 C将来自右侧的直流信号阻断 2 如何用本实验求内建电势差 D V 对于突变结 作出 22 0 12 D TD VV CqA N 的图像 由斜率可求出 D N 由截距可求 出 D V 对于缓变结 作出 3223 0 112 D Ti VV CqA a 的图像 由斜率可求出 i a 由截距可求 出 D V 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 13 20 实验六 光电器件性能测试与应用 数据处理 表 6 1 实验数据记录表 光电流 IL mA 上升时间 tr s 下降时间 tf s 思考题 1 试说明哪些半导体材料可做光电器件 具有直接带隙的半导体材料具有较高的发光效率 可做光电器件 如GaAs GaN等 2 简述光电三极管的工作原理 光电二极管是在反偏压下 光照使结的空间电荷区内和扩散区产生大量的非平衡载流子 这些载流子被内建的电场和偏压电场漂移 形成大的反向电流 即光电流 它比结的反 向饱和电流大很多 光电三级管与反向偏压的光电二极管类似 但有两个 P N 结 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 14 20 实验七 MOS 管静态参数的测试 数据处理 3DJ7 耗尽型 N 沟道耗尽型 MOS 管饱和漏电流 DSS ImA 夹断电压 p VV 表 7 1 3DJ7 耗尽型 MOS 管转移特性测量 测试条件 8 DS VV VGS V ID mA 根据上表数据 绘制该 MOS 管的转移特性曲线如下 图 7 1 3DJ7 耗尽型 MOS 管转移特性曲线 由拟合曲线图 使用 Origin 软件可读出各测量点处的斜率值 即跨导 m g 如下 表 7 2 3DJ7 耗尽型 MOS 管各测量点处跨导值 VGS V 3 29 2 15 1 70 1 10 0 80 gm mS 0 17544 0 30994 0 38889 0 5 0 66667 此表数据由 Origin 软件读出 D mDS GS I gV V 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 15 20 表 7 3 3DJ7 耗尽型 MOS 管输出特性测量 测试条件 VGS 2 0V VDS V ID mA 测试条件 VGS 1 5V VDS V ID mA 测试条件 VGS 1 0V VDS V ID mA 根据上表数据 绘制该 MOS 管的转移特性曲线如下 图 7 2 3DJ7 耗尽型 MOS 管输出特性曲线 BS250 增强型 N 沟道增强型 MOS 管开启电压 T VV 表 7 4 BS250 增强型 N 沟道增强型 MOS 管转移特性测量 测试条件 5 DS VV VGS V ID mA 根据上表数据 绘制该 MOS 管的转移特性曲线如下 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 16 20 图 7 3 BS250 增强型 MOS 管转移特性曲线 由拟合曲线图 使用 Origin 软件可读出各测量点处的斜率值 即跨导 m g 如下 表 7 5 BS250 增强型 MOS 管各测量点处跨导值 VGS V 2 70 2 99 3 05 3 10 3 30 gm mS 0 68966 2 01149 3 66667 3 2 表 7 6 BS250 增强型 MOS 管输出特性测量 测试条件 VGS V VDS V ID mA 测试条件 VGS V VDS V ID mA 测试条件 VGS V VDS V ID mA 根据上表数据 绘制该 MOS 管的转移特性曲线如下 图 7 4 BS250 增强型 MOS 管输出特性曲线 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 17 20 思考题 1 试说明 MOS 场效应管与 BJT 三极管存在哪些差异 MOS 是电压控制器件 BJT 是电流控制器件 MOS 的输入阻抗远大于 BJT BJT 的跨导优于 MOS MOS 利用表面效应 BJT 利用场效应 2 深入理解增强型 MOS 管在0 GS V 时 没有 D I的物理意义 对于0 GS V 源漏与沟道之间存在较大势垒 载流子不能越过势垒从而通过沟道 表现 为源漏之间的电绝缘 即0 D I 半导体器件性能测试实验 数据处理示例及思考题参考答案 18 20 实验八 晶体管特征频率的测量 数据处理 本实验所用晶体管为 3DG6 NPN 型硅材料三极管 表 8 1 晶体管发射极电流放大系数 随频率变化关系测量 测试条件 1 2 C ImA C EV 实际操作中以3 06 0VV 为宜 序号 1 2 3 4 5 6 f MHz Vb mV Vo mV 序号 7 8 9 10 11 f MHz Vb mV Vo mV 由上表中的第 1 组数据可求得 0 可进一步求得 0 2 此时调节标准高频 讯号发生器 使该晶体管发射极电流放大系数 记下此时的f值即为f 根据第 2 组测得数据 可求出 T ff 由以上 11 组数据作为实验数据