微电子基础试验2015版要点

1、微电子基础实验实验指导书孙显龙主编二O五年四月半导体导电类型的观测、实验目的:半导体材料有电子和空穴两种导电机构，N型硅以电子导电为主，P型硅以空 穴导电为主。半导体导电类型测量的实验目的就是要确定被测样品（单晶硅片） 是以电子导电为主，还是以空穴导电为主，从而确定样品的导电类型。二、实验原理：在半导体材料中，载流子的浓度随温度升高而增加。如图1所示，在半导体表面接触一个有一定温度的热探针和另一个为室温的冷凝针，在半导体中会产生 热电势，其大小取决于导电类型、载流子浓度和温差。N型和P型材料的电势方向是相反的。对于P型硅热探针附近的多数载流子空穴增加形成浓度梯度，引起 空穴由热端向冷端扩散，因

2、此，其热电势是热端为负，对N型硅则相反，热端为正，在两探针外接上电流表，则可根据电流方向判断硅的导电类型。三、实验内容：1、掌握半导体导电类型的冷热探针测量法原理及方法。2、熟悉测量前对半导体被测量表面的处理方法。3、测量硅单晶样品的导电类型。四、实验方法和步骤：栓流计2m冷探针I 热探针、 电阻坐丰导体样品图i冷热探针测量原理图仪器测量：接通仪器电源，加热热探针，注意热探针要放好位置，防止烧坏 导线和其他物品。冷热探针同时垂直压于单晶硅表面，观察电流表指针的偏转方 向判断硅的导电类型。自选方法：自制冷热探针（如用电烙铁做热探针），选用微安电流表连接成测 量电路，测量硅单晶的导电类型。也可将采

3、集的信号通过放大后再用仪器或仪表 观察导电类型。五、实验要求： （略）60单晶硅电阻率的测试、实验目的:金属材料的电阻率可用万用表测量，对于半导体材料这样测量则会带来较大 误差。因为万用表的金属表笔和半导体接触时有很高的接触电阻，有时接触电阻 会远大于被测样品本身的电阻。此外，当测量电流较大时，通常在接触处会引起 非平衡载流子的注入，将导致材料电阻率的变化。测量半导体的电阻率的方法很多。如二探针法、扩展电阻法和四探针法等， 而四探针法是目前广泛使用的标准方法。它具有设备简单，操作方便，精度较高， 对样品的几何形状无严格要求等优点。本实验的目的是掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理和方法。并能

4、针 对不同几何尺寸的样品，掌握其修正方法。了解电阻率准确测量的各种因素及改 进措施。二、实验原理：1、采用四探针法测量半导体材料电阻率。设被测样品电阻率T均匀，样品几何尺寸相对测量探针的间距可看作半无限 大。弓I入点电流源的探针其电流强度为I，则产生的电力线有球面对称性，即等位 面为一系列以点电流源为中心的半球面，如图1所示。图1半无穷大样品上点电流源的半球等位面对于均匀材料，电流密度j的分布是均匀的，若以r为半径的半球面上，则由此可得半径为r的等位面上的电场强度 E，dtp取距离点电极无穷远处的电位为零，并利用E=-d可得dr(r)r0 dR dr2-Edr 12 兀 Jq rI2 - r上

5、式就是半无限大均匀样品上离点电流源距离为 r的点的电位与探针流过的 电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流源对距离 r处的点的电势的贡 献。实际测试用的四探针分布如图 2所示。任意位置的四探针直线型的四探针图2 四探针分布示意图测试时四探针位于样品中央，排列成直线，间距为 S，点电流从探针I流入, 从探针4流出，则可以认为1、4探针是点电流源，代入上式后可得探针 2和探针 3处电位2、3，（1 -丄）2 二 S 2ST（丄-1）2二 2S S从而求出探针2、3间电压V23,则，样品的电阻率为:四探针测试仪探针间距S=1mm则上式变为2普实际测量时调解电流1的值为1=2二=6.28，单位是

6、mA，贝U t = 0.1V23单位是1 1 cm。样品厚度和边缘与探针间距大于4S时，可认为样品几何尺寸与探针间距为无限大，即可满足测量精度 要求。这样测量的电压V23数值，即为电阻率值的有效数字，电流I取不同单位时,t的有效数值倍率如表1所示表1电流I取不同单位时所对应电阻率匸的有效数值I (mA)V23(mV)1101001000P(0cm)0.0628101001000100000.62811010010006.280.111010062.80.010.1110当不满足上述条件而用上述方法测量时，电阻率公式要修正为：二色3。其Bo中，Bo为修正系数，与样品尺寸及所处条件有关。2、采用四

7、探针法测量扩散层方块电阻方块电阻是指表面为正方形的薄层沿表面方向所呈现的电阻，单位为 。 一般在测扩散层方块电阻时，扩散层与衬底间的PN结处于截止状态，可以认为扩 散层与衬底间相互绝缘。显然，扩散层方块电阻 Rs可表示为：L P当扩散层厚度；j远小于探针间距S、且表面横向尺寸远大于 S时，经和前面类似推导得到：P了兀沁23V23Rs =1=4.53 23xjQn 2 丿 1IRs 二L XjXj上式即为用四探针法测方块电阻的计算公式，仿照前例取1=4.53,则Rs =V23在测量Rs时，也要求样品边缘与探针间距大于 4S,否则还需进行修正。双电测组合四探针法采用了以下二种组合的测量模式(见图2

8、)。I14V23组合图2双电测组合四探针法将直线四探针垂直压在被测样品表面上分别进行I14V23和I13V24组合测量，测量过程如下:1、进行I14V23组合测量:电流I从1针一4针，从2、3针测得电压V23+ ;电流换向，I从4针一 1针，从2、3针测得电压V23-;计算正反向测量平均值：V23 = (V23+ + V23- )/2 ;2、进行I13V24组合测量：电流I从1针一3针，从2、4针测得电压V24+ ;电流换向，I从3针一 1针，从2、4针测得电压V24-;计算正反向测量平均值：V24 = (V24+ + V24- )/2 ;3、计算(V23/V24)值：(以上V23、V24均以

9、 mV为单位)按以下两公式计算几何修正因子K:若 1.18v( V23 N24 ) 1.38 时；K = 14.696+ 25.173(V23/V24) 7.872(V23/V24)2 ;若 1.10( V23/V24) 1.18 时；K = 15.85+ 26.15(V23/V24) 7.872(V23/V24)2 ;双电测组合四探针法改变点电流的流入探针，测试样品形状的影响会反映到两次电压的 比值上，进而通过计算得到修正系数，直接将修正系数与测量结果相乘，省去了我们根据样 品形状查修正系数表再得到测量结果的麻烦过程。三、实验内容：独立完成所给硅样品电阻率的测试，在样品的中心位置选择不同的6

10、点进行测试，得到测试结果并记录。RTS-9型双电测四探针测试仪的使用见用户手册。四、实验要求：1、了解用四探针法测量半导体材料的电阻率的原理。2、掌握用双电测四探针测量半导体材料电阻率的方法。3、 在所给样品的不同点测试，至少 6点，测试完毕，记录各点R()值，并 计算最大值、最小值、最大百分变化率、平均百分变化率和径向不均匀度E。其中最大百分变化”、平均百分变化”、径向不均匀度E”表示如下P P最大百分变化()=io。m|p - p平均百分变化( )J a 100% a径向不均匀度E (%) =2(5 m)100%M _m上式中5、?m分别为测量的电阻率最大值与最小值，单位：11 cm，%为

11、第1、2点(即圆片中心测量点)测量平均值，单位：11 cm，:?a为第3、4、5、6点 的测量平均值单位：|1 cm。MOS吉构C-V特性测试、实验目的与意义:本实验是半导体物理课程中的重要基础性实验。通过实验全过程的操作及数据处理，使学生加深对所学“半导体物理学”中半导体表面理论的理解，特别是 对半导体表面电场效应和硅-二氧化硅系统性质的理解。利用 MOS吉构高频电容- 电压（C-V）特性曲线的测试结果，不但可以获得 MOS吉构的多个参数：二氧化硅 层的厚度，衬底硅掺杂类型、浓度等，还可对二氧化硅层中可动电荷与固定电荷 密度进行分析。、实验原理:mos结构如图1（a）所示，它类似于金属和介质

12、形成的平板电容器。但是由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度（在微米量级），而不象金属那样，只集中在一薄层（约0.1 nm）内。半导体表面空间电荷区的厚度随外加偏压Vg而改变，所以MOS电容C是微分电容。（a）结构示意图绝缘体Co4Un axAVCm in0V(c) P-SiMOS 理想 C-V 曲线(b)等效电路图1 MOS结构及其C-V特性A如dvG(3-1)式中：Qg是金属电极上的电荷面密度；A是电极面积。理想情形可假设MOS结构满足下列条件：金属-半导体间的功函数差为零; SiO2为理想绝缘层而且其中没有电荷； SiO2与半导体界面

13、处不存在界面态。 偏压Vg 一部分降在SiO2上，记为Vo； 部分降在半导体表面空间电荷区，记为 Vs，即：VG =Vo Vs(3-2)Vs又称为表面势。考虑到半导体空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反，有：Qs =Qg| （3-3）dVGdVO dVSCO CsCO Cs(3-4)式中：Qs为半导体表面空间电荷区电荷面密度。 将（3-2）、（3-3）代入（3-1）式，有：式（3-4）表明MOS电容是Co和Cs串联而成，其等效电路为图3-1的b所 示。其中Co是以SiO2为介质的氧化层电容，它的数值不随 Vg改变，Cs是半导体表面空间电荷区电容，其数值随 Vg改变。因此，有:co

14、dodQs dVsCs(3-5)(3-6)式中：=8.85*10-12 F/m、ro= 3.9分别为真空介电常数和二氧化硅相对介电常由式（3-6）看，Cs的大小主要由空间电荷区单位面积电量Qs随表面势Vs的变化而定P型硅的理想MOS结构高频C-V特性曲线如图3-1的c所示，V轴表示外 加偏压，C轴是电容值。最大电容 Cmax Co，最小电容Cmin和最大电容Cmax 之间有如下关系：Cm inCmax1(4；O2rsKTLnN)；rsdq Nni(3-7)式中：N为Si衬底参杂浓度；$s=11.7,为半导体的相对介电常数；KT （室 温）=0.0259eV; q=1.6*10-19 C,为电子

15、荷电；ni=1.45*1010/cm3,为 Si 本征载流 子浓度。当Vs=0时，半导体表面能带平直，称为平带。平带时，对应的偏压称为平带电压，记为Vfb。显然，对于理想 MOS结构，Vfb=O。此时，对应的电容称为 平带电容，记为Cfb，归一化平带电容有如下关系：CFB1COro-rs d o(KT ；O ； RS)2( 2 丿q N(3-8)考虑实际的MOS结构，由于SiO2中总是存在电荷（通常都为正电荷），且金 属-半导体接触的功函数并不相等，两者功函数差记为Vms。因此，Vfb也不为零。若不考虑界面态，有下式：FBAqQ0-VmsC0(3-9)对于铝栅p-Si MOS结构，Vms大于零

16、，Qo也大于0 （正电荷），所以Vfb V be,可使lb =(E b- V be)/ R b基本保持恒定。在晶体管c-e之间加入一锯齿波扫描电压，并弓I入一个小的取样电阻Rc，这样加到示波器上X轴和丫轴的电压分别为Vx =V ce =V cc +V R= V cc c Rc ccVy =l c Rc 1 c当lb恒定时，在示波器的屏幕上可以看到一根lc Vce的特性曲线，即晶体管共发 射极输出特性曲线。为了显示一组在不同I b的特性曲线簇I ci= I b, Vce)应该在X 轴的锯齿波扫描电压每变化一个周期时，使lb也有一个相应的变化，所以应将图1中的Eb改为能随X轴的锯齿波扫描电压变化的

17、阶梯电压。每一个阶梯电压能为被测管的基极提供一定的基极电流，这样不同的阶梯电压Ebi、Eb2、Eb3 就可对应的提供不同的恒定基极注入电流Ib1、Ib2、I b3。只要能使每一阶梯电压所维持的时间等于集电极回路的锯齿波扫描电压周期，如图2所示，就可以在To时刻扫描出Ic0 = (Ib0, Vce)曲线，在Ti时刻扫描出Ic1=(bl, Vce)曲线。通常 阶梯电压有多少级，就可以相应地扫描出有多少根输出曲线。晶体管特性图示仪 是根据上述的基本工作原理而设计的。它由基极正负阶梯信号发生器，集电极正 负扫描电压发生器，X轴、丫轴放大器和示波器等部分构成。图2基极阶梯电压与集电极扫描电压间关系三、实

18、验的内容和方法下面我们分别用BJ4814型半导体图示仪测试NPN型晶体管3DG6的参数。 3DG6晶体管是NPN外延平面型硅管，用于中咼频放大及振荡电路中。其主要参 数见附表。1、hFE的测量测出共发射极的特性曲线并记录曲线，在测试条件Vce=10V，lc=3mA时，计算出hFE的值。h FE= AIc/ 凶 b2、输入阻抗的测试图3晶体管输入特性的测试测出晶体管输入特性曲线并记录曲线，在测试条件Vce=5V , I b=40 pA时的输入阻抗，计算出输入阻抗的数值。晶体管的输入特性对于共发射极电路来说是指 I b和Vbe的关系。以NPN管为 例，将被测管E、B、C极分别插入图示仪插座E、B、

19、C,然后加大“峰值电压”， 便可得到如图3所示的共发射极组态下的输入特性曲线。例如，若要测出当Vce=5V，Ib=40 pA时的输入阻抗，可以调节“峰值电压”旋钮使 Vce = 5V, “阶梯 选择”置10 V级，从图3右边一根曲线上，可自下而上数到第四个亮点（Q点）， 就对应于lb=40 的一点，然后过Q点作切线，以切线为斜边作直角三角形， 即可求出待测的输入阻抗的数值。3、饱和压降的测试测出 Ib=1mA，Ic=10mA 时的 Vces 值。晶体管的饱和降压Vces是指在给定的Ib和Ic的条件下，晶体管工作在饱和状 态时集电极和发射极之间的电压降。根据饱和压降的定义，当给定 Ib和Ic的数

20、值 后，可以从晶体管的饱和压降曲线上找出相应的饱和压降 Vces。丨b和Ic的取值由 测试条件规定，一般在测试中取Ic = 10I b时的Vce值作为Vces。4、反向漏电流和反向击穿电压的测试根据测试条件测出下列反向漏电流和反向击穿电压Vcb=10V 时 I CBOVCE=10V 时 I CEOV EB=2V 时 I EBOI C=100uA 时 V(BR)CBOI C=100uA 时 V(BR)CEOI E=100uA 时 V(BR) EBO将晶体管按规定的引脚插入之后，逐渐加大反向峰值电压，即可观察到晶体 管反向伏安特性曲线，进而可测出反向漏电流的大小。当反向电压增加到某一 数值之后，反

21、向电流迅速增大，这就是击穿现象。通常规定晶体管两级之间加上 反向电压，当反向漏电流达到某一规定值时所对应的电压值即为反向击穿电压。 晶体管的反向漏电流和反向击穿电压有三种情况：I CBO, V (BR)CBO ： e 极开路时 c-b 之间的反向漏电流和反向击穿电压；I EBO, V (BR)EBO ： c 级开路时 e-b 之间的反向漏电流和反向击穿电压；I CEO, V (BR)CEO ： b 级开路时 c-e 之间的反向漏电流和反向击穿电压；根据这些参数的定义，测试时分别将晶体管 c、b级，e、b级和c、e级插入图示 仪上的插孔c、e,然后加上反向电压，就可进行测量。5、正常管和失效管输

22、出特性曲线的比较正常晶体管的输出特性曲线应该在起始部分电流上升很快，然后变化比较平 坦，即 Ib 受 Vce 变化影响较小，表明输出阻抗很大。线间的间隔比较均匀，表明 电流增益基本保持不变。从图形上计算出的电流增益hFE比较合乎规格,晶体管的击穿电压较高。晶体管出现不正常的原因很多，故输出特性曲线的形状各异，一些不正常的 输出特性曲线举例如下：输出特性曲线疏密不均，特别是在 Ib 较小时的几根曲线靠的很近，甚至合并 在一起，如图4 ( a)所示。这种晶体管在小注入时 hFE很小，放大作用差，故对 小信号工作时放大不利，容易引起非线性失真。输出特性曲线倾斜而且发散，但零注入线(Ib=0)仍是平的

23、，如图4(b)所示。 这种管子hFE随Vce的增大而增加,击穿电压较低，输出阻抗也低，放大信号的线 性作用差，失真大，工作不稳定。特性曲线倾斜，而且零注入线也变成倾斜，如图4(c)所示这种晶体管不仅输出阻抗低、线性差，而且反向漏电电流大。曲线的上升部分缓慢，如图4(d)所示。这种晶体管饱和压降太大，不能用于 开关工作，放大工作范围小。图4 几种不正常晶体管的输岀特性曲线附表：3DG6的参数3DG6型NPN外延平面高频小功舉三极管3DQS测试茶件ABQOp恤mWiOOT7二翁 iitn A20Trdc175nViltK? WVA去45A 45之451 =JOOpAV.nrtii.TE-V乏20二

24、?0N40I =曲0屮1V ihkphlM-V工4h= too A P HlVi D.53L HJ111A k = J mAVf BE dillV MI.CH41nA拓K)V.B-I0V(i.EOnAM 10g = LQV1 k H- *it AS 10Vta*2 Vhn乏丸VcE=LOVk=3 iuA淹ftMHzK H)o立150之250之130|0V1 -3 mAFhdBGfdBa7V* e |DVIe = 3 mACvbPF5V*= 10 V- IMH/AM1H H-1).(JT JF JTjT jF h JTJTcE场效应晶体管部分参数的测量场效应晶体管从结构上分为有两种类型，结型场效

25、应管（JFET和MOS型场效 应管（MOSFET。由于他们有很高的输入阻抗，在电子技术中是必不可少的器件。 因此，对其基本参数直流输入特性，直流输出特性，开启电压，漏源击穿电压， 跨导等应有一定的了解一、实验目的1、熟悉场效应管。2、学会测量场效应晶体管的部分参数。3、巩固所学过的有关理论知识。二、实验原理场效应管的测试与晶体管的测试类似，其管脚的接法一般与晶体管对应如下： 场效应晶体管漏极对应于双极型晶体管集电极，栅极对应于基极，源极对应于发 射极。测试时应注意场效应管栅极输入的是电压量，所以一般在BJ4814半导体特性图示仪的B E间并联一个电阻，相当于把阶梯电流信号转变为阶梯电压信号 （

26、原电压的范围太窄）。三、实验内容和方法我们选3DJ6场效应晶体管作为测试器件，3DJ6场效应晶体管是N沟道结型耗 尽型场效应管，主要用于直流放大、线性放大和斩波电路等，其参数检附表1、输出特性及loss、gm的测试 测出输出特性曲线，并记录曲线。在VDfIOV时测I DSS）I DS饱和漏电流）的测量，图2- 1中的一根曲线（最上面一条），是Vgs=0时特 性曲线，按测试条件，对应 X轴电压Ws=10V,测得丫轴电流即为Idss还可以把阶 梯作用开关扳至关，即可直接显示 Vgs = O时的一根曲线，直接读值。gm跨导的测量：gm=A 1/ V。2 、转移特性及其Vp的测试测出转移特性曲线，并记

27、录。在测试条件 VdS=10V, IdS=10uA时的Vp。图2场效应管转移特性曲线从图2-2中可读出夹断电压V,测试结束将峰值电压调至零。2、击穿特性BVGs BMs的测试在测试条件lgs=-1uA时测BVGs在测试条件Ids=-1uA时测BV3DJ6的BVGs的测试如同测试晶体管的BEbo调节峰值电压即得如图2-3所示 的曲线，根据测试条件可读出BVGso图3场效应管击穿特性曲线2-4所示3DJ6的BVDs测试同测试晶体管的BVCe类似，调节峰值电压即得如图 的曲线，即可读出BVDs值。图4场效应管测BZs时曲线附表：3DJ6场效应晶体管参数3D.；b电就枕tZ尽型仮讹效世纭呼jJ.J6IPd10过 L-1h1十：宜整寸d：鱼：* l：F朽在条件猊玄n丄B极术位主dli -IW 1晶体管特征频率fT