微电子器件实验讲解

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微电子器件实验,考核方式：,1,实验内容学习，,2,分；,2,实际动手能力，3分；,3,实验报告完成，,5,分。,1,实验内容：,1,、,双极型晶体管特性的测量与分析,2,、,场效应晶体管特性的测量与分析,3,、,晶体管特征频率的测量,4,、,晶体管开关时间的测量,双极晶体管管脚,金属封装,底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左向右依次为,e b c,；,对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为,e b c,。,实验采用金属封装和塑料封装的,9013NPN,器件，其管脚如下排列：,MOS,场效应管管脚,实验采用塑料封装的,2N7000,增强型,N,沟,MOS,器件，其管脚如下排列：,一、双极晶体管直流特征的测量,基本测试原理电路如下图所示，测试时用逐点测试的方法把一条条的曲线描绘出来。,本实验要求：,（,1,）了解,XJ4810,半导体管特性图示仪的基本原理方框图及每部分的作用。,（,2,）了解被测管各项参数的定义及读测方法。,（,3,）掌握晶体管特性常见缺陷及其产生原因。,（,1,）输入特性曲线和输入电阻,R,i,在共射晶体管电路中，输出交流短路时，输入电压和输入电流之比为,R,i,，即,测晶体管在,V,CE,= 10V,时某一工作点,Q,的,R,i,值，晶体管接法如图所示。各旋钮位置为：,峰值电压范围,010V,极性（集电极扫描）,正（,+,）,极性（阶梯）,正（,+,）,功耗限制电阻,0.11k,（适当选择）,x,轴作用,电压,0 .1V/,度,y,轴作用,阶梯作用,重复,阶梯选择,0.1mA/,级,（,2,）输出特性曲线,、,和,h,FE,测试晶体管输出特性曲线时，旋钮设置如下：,峰值电压范围,010V,极性（集电极扫描） 正（,+,）,极性（阶梯） 正（,+,）,功耗限制电阻,0.11k,（适当选择）,x,轴作用 电压,1V/,度,y,轴作用 电流,0.1mA/,度,阶梯作用 重复,阶梯选择,0.1mA/,级,、h,FE,也可用共射晶体管的转移特性进行测量。,只要将上述的,x,轴作用开关拨至 ，即得到共射,晶体管的转移特性。这种曲线可直接观察,的线,性好坏。,（,3,）饱和压降,V,CES,和正向压降,V,BES,V,CES,和,V,BES,是功率管的重要参数，对开关管尤其重要。,V,CES,是共射晶体管饱和态时,C,E,间的压降。,V,BES,是共射晶体管饱和态时,B,E,间的压降。一般硅管的,V,BES,=0.70.8V,，,锗管的,V,BES,=0.30.4V,。,V,CES,的大小与衬底材料和测试条件有一定的关系。,V,BES,与芯片表面的铝硅接触情况有关，铝硅合金不好，或光刻引线孔时残留有薄氧化层都会导致,V,BES,过大。,当测试条件为,I,C,=10mA,、,I,B,=1mA,时，图示仪的旋钮位置如下：,峰值电压范围,050,V,功耗电阻,0.51,K,极性（集电极扫描）,正（,+,）,极性（阶梯）,正（,+,）,x,轴,集电极电压,0.05,V/,度,y,轴,集电极电流,1,mA/,度,阶梯信号选择,0.1,mA/,级,阶梯信号,重复,级,/,族,10,调峰值电压，使第10级（即第11根）曲线与,I,C,=10mA,的线相交，此交点对应的,V,CE,值即为,V,CES,（,如图所示，,V,CES,=0.15V）。,将,y,轴作用拨至 ，,x,轴作用拨至基极电压0.1,V/,度，即得如图所示的输入特性曲线。此曲线与,I,B,=1mA,的线交点对应的,V,BE,值即为,V,BES,（,如图所示，,V,BES,= 0.78V）。,(4),反向击穿电压,BV,CBO,、,BV,CEO,和,BV,EBO,外延片制作的双极晶体管的反向击穿电压,V,B,（,一般指,BV,CEO,或,BV,CBO,）,既与外延层电阻率,c,有关，也与结的曲率半径和表面状况等因素有关。当高阻集电区厚度,Wc,小于,BV,CBO,所对应的势垒宽度,x,mB,时，,V,B,还与,W,C,有关。所以提高晶体管反向耐压可采取提高,c,、,W,C,，,减小二氧化硅中表面电荷密度，采用圆角基区图形，深结扩散、甚至采用台面结构、扩展电极或加电场限制环等措施。,BV,CBO,是共基晶体管在发射极开路时输出端,C,B,间的反向击穿电压。,BV,CEO,是共射晶体管在基极开路时输出端,C,E,间的反向击穿电压。晶体管手册中（或实际测试中）的规定为：,BV,CBO,发射极开路，集电极电流为规定值时，,C,B,间的反向电压值。,BV,CEO,基极开路，,集电极电流为规定值时，,C,E,间的反向电压值。,BV,EBO,集电极开路，发射极电流为规定值时，,E,B,间的反向电压值。,9013,的,BV,CBO,和,BV,CEO,的测试条件为,I,C,=100,A,，,BV,EBO,的为,I,E,=100,A,。,旋钮位置为：,峰值电压范围,0200V,（测,BV,CBO,，,BV,CEO,）,020V,（测,BV,EBO,）,极性（集电极扫描）,正（,+,）,功耗电阻,550k,x,轴,集电极电压,10,V/,度（测,BV,CBO,，,BV,CEO,）,1V/,度（测,BV,EBO,）,y,轴,集电极电流,0.1,mA/,度,将峰值电压调整到合适的值，即可得到下图所示的值，图例表明,BV,CBO,=70V,，,BV,CEO,=40V,、,BV,EBO,=7V,。,小注入时,过小，此时的特点是小注入时特性曲线密集。它的产生原因是基区表面复合严重、发射结势垒复合较强、发射结表面漏电大。,大注入时,过小,此时的特点是大注入时特性曲线密集。它的产生原因是基区电导调制效应和有效基区扩展效应。,晶体管特性常见缺陷及其产生原因,特性曲线分散倾斜，此时的特点是零线较平坦，其它曲线分散倾斜。产生原因是基区掺杂浓度过低，宽度过窄，导致基区调变效应严重。,反向漏电流大 反向漏电流大有两方面： 沟道漏电。沟道漏电的特点是起始电流大，零注入曲线升高。它产生的原因是二氧化硅中正电荷密度过大，导致晶体管,P,区表面反型，出现,n,型沟道。,反向漏电大图。反向漏电大的特点是特性曲线全部倾斜。产生的原因是表面吸附有大量杂质离子、原材料缺陷多、势垒区附近有大量杂质沉积和大量重金属杂质沾污。,管道型击穿。特点是击穿曲线像折线或近似折线。原因是形成的基区光刻小岛，有,PN,结尖峰、材料中有位错集中点或表面有破坏点等形成的基区局部穿通，硼扩前表面有,n,型杂质和灰尘沾污形成的基区反型杂质管道等。,硬低击穿，硬低击穿的特点是击穿特性硬，击穿电压低。原因与管道型击穿类似。如集电结有缺陷集中点或局部损伤以至断裂；基区大面积穿通或存在大的反型杂质管道。,软击穿，软击穿的特点是反向漏电大，没有明显的击穿点。产生原因与反向漏电大相同。,饱和压降大，曲线上升部分不陡或浅饱和区宽。原因：,c,、,W,c,过大，导致,r,cs,过大或在低压下集电结势垒区载流子达不到极限散射速度；基区掺杂浓度很低时也会导致,V,CES,增大。,饱和压降大，,低电压下曲线上升很缓慢，其它部分较正常，俗称“有小尾巴”。原因：烧结条件掌握不好，管芯与管座接触电阻,r,cbn,过大。,3,、,实验步骤,a.,开启电源，预热,5,分钟，调节“辉度”、“聚焦”、“辅助聚焦”使显示清晰。,b.,识别晶体管的管脚，及用万用表验证。根据实验方法进行测试。,c.,测试完成后，将,“,峰值电压,”,调回零。,2,、,MOS,晶体管直流特征的测量,MOS,场效应晶体管是是现代超大规摸数字集成电路的基础器件。,1,、实验原理,晶体管特征图示仪提供漏源电压,V,ds,的锯齿波扫描电压和栅极电压,V,g,的阶梯变化，且两者一一对应，便产生,V,g,从,V,g0,、,V,g1,、,V,g2,等,V,ce,从零到最大值的曲线族。场效应晶体管的直流特性包含：直流输入特性,I,ds,V,gs,；直流输出特性,I,ds,V,ds,和阈值电压,V,t,。,实验仪器为,XJ4810,图示仪，与测量双极晶体管直流参数相似，但由于所检测的场效应管是电压控制器件，测量中须将输入的基极电流改换为基极电压，这可将基极阶梯选择选用电压档（伏/级）；也可选用电流档（毫安/级），但选用电流档必须在测试台的,B-E,间（相当于场效应管的,G.S,之间）外接一个电阻（如接1,k,电阻），将输入电流转换成输入电压。,测量时将,场效应管的,管脚与双极管脚一一对应，即,S,（源极）对应,E,（发射极）；,G,（栅极）对应,B,（基极）；,D,（漏极）对应,C,（集电极）。,值得注意的是，测量,MOS,管时，若没有外接电阻，必须避免阶梯选择直接采用电流档，以防止损坏管子。,（,1,）输出特性与转移特性,输出特性曲线（,I,DS,V,DS,）即漏极特性曲线，它与双极管的输出特性曲线相似，如图所示。在曲线中，工作区可分为三部分：,I,是可调电阻区（或称非饱和区）；,是饱和区；,是击穿区。,（,2,）阈电压,V,T,开启电压,V,T,是对增强型管而言。它表示在一定漏源电压,V,DS,下，开始有漏电流时对应的栅源电压值。,将,MOS,场效应晶体管,G,、,D,、,S,分别接入图示仪的,B,、,C,、,E,端，将,B,、,C,端短路使其处于饱和状态。,图示仪选择,NPN,、发射极接地、阶梯单族、阶梯电流最小。,由,Ids,Vgs,得,Vt,。,（,3,）跨导,(,g,m,),跨导是漏源电压一定时，栅压微分增量与由此而产生的漏电流微分增量之比，即,跨导表征栅电压对漏电流的控制能力，是衡量场效应管放大作用的重要参数，类似于双极管的电流放大系数，测量方法也很相似。,跨导常以栅压变化,1V,时漏电流变化多少微安或毫安表示。它的单位是西门子，用,S,表示，,1S=1A/V,。或用欧姆的倒数“姆欧”表示。,（,3,）击穿电压（,BV,DS,）,当栅源电压,V,GS,为一定值时，使漏电流,I,DS,开始急剧增加的漏源电压值，用,BV,DS,表示。当,V,GS,不同时，,BV,DS,亦不同，通常把,V,GS,=0,时对应的漏源击穿电压记为,BV,DS,。,将峰值电压旋钮转回原始位置，电压范围改为,0,200V,，,x,轴集电极电压改为,5V/,度，或,10V/,度，加大功耗电阻，再调节峰值电压，最下面一条输出特性曲线的转折点处对应的,x,轴电压，即为,BV,DS,值。,3,、晶体管特征频率的测量,晶体管特征频率定义为共射极输出交流短路电流放大系数随频率下降到,1,时的工作频率，是晶体管的重要参数。采用,“,増益,带宽,”,积的方法进行测量。,1,、实验原理,晶体管放大系数,与频率的关系如下：,直接在利用晶体管放大系数为,1,的条件测量晶体管特征频率较为困难，而利用下式，根据图中 的线性关系则可在较低频率测量特征频率，这就是,“,増益,带宽,”,积的测量方法。,在一般情况下晶体管的集电结势垒电容远小于发射结势垒电容，如果再忽略寄生电容的影响，那么特征频率可以表示为,f,T,是发射结电阻，基区宽度，势垒电容各势垒区宽度等的函数。而这些参数虽然主要取决于晶体管的结构，但也与晶体管的工作条件有关，即工作偏置不同也不等。,一般情况下,，在集电极工作电压一定，,I,E,I,CM,时。可近似认为,b,，,d, ,c,与,I,E,无关，因而通过测量,f,T,随,I,E,的变化，并作出,1/ f,T,与,1/I,E,的关系曲线，由曲线斜率即可求出,C,Te,的近似值，同时由曲线的截距求得的,b,+,d,+,c,近似值。,测试装置如图所示。其中信号源提供,f,f,f,范围内的所需要的点频信号电流，电流调节器控制输入被测管的基极电流，测试回路和偏置电源向被测管提供规范偏置条件，宽带放大器则对被测管的输出信号进行放大，显示系统指示值。显示表头指示的参数是经被测管放大了的信号源电流信号，但经测试前后的“校正” 可转换成相应的值。,实验步骤,a.,熟悉晶体管特征频率测试仪的测量范围，信号源工作频率，然后开机预热。,b.,确定信号源工作频率，校准仪器。,c.,按实验方法所述进行测量。,实验数据,a.,特征频率分别与,Ie,的关系；,b.,特征频率分别与,Vce,的关系；,c.,特征频率与发射结并联电容的关系。,4,、,晶体管开关时间的测量,晶体管开关时间是衡量晶体管开关速度特性的重要参数。它对数字电路的工作频率和整机性能有直接影响。,1,、实验原理,如果在晶体管基极输入一脉冲信号,V,i,，则基极和集电极电流波型如图所示。故由图可读出其延迟时间,T,d,、上升时间,T,r,、存储时间,T,s,和下降时间,T,f,。,晶体管开关时间参数一般是按照集电极电流,i,C,的变化来定义：,延迟时间,t,d,：从脉冲信号加入到,i,C,上升到,0.1,I,CS,。,上升时间,t,r,：从,0.1,I,CS,上升到,0.9,I,CS,。,存储时间,t,s,：从脉冲信号去除到,i,C,下降到,0.9,I,CS,。,下降时间,t,f,：从,0.9,I,CS,下降到,0.1,I,CS,。,其中,t,d,+,t,r,即开启时间、,t,s,+,t,f,即关闭时间 。,当晶体管作为开关应用时，可以把晶体管看作是一个,“,电荷控制,”,器件，根据少数载流子连续性方程可以推导出电荷控制分析的基本方程,Q,b,是存储在基区中电子的总电荷，,n,是基区中电荷寿命。,在延迟时间内，发射结偏压将由,-V,i,上升到微导通电压,V,j,（约,0.5V,），集电结反向偏压由（,V,c,+V,i,）减小到（,V,c,-V,j,），这个过程是基极电流对发射结和集电结势垒电容充电的过程。,在上升时间，基极驱动电流继续对发射结和集电结势垒电容充电，使发射结偏压由,Vj,上升到导通电压（约,0.7V,），集电结反向偏差逐渐减小，使少子浓度梯度不断增加。,存贮时间主要是基区、集电区超量存贮电荷消失，发射结、集电结电容放电的过程。,开关时间既决定于,C,te,、,C,tc,、,f,T,、,等晶体管本身的参数，也取决于,I,b,、,I,c,及等外部电路参数。,测量双极型晶体管开关时间的实验装置如图所示。由于受输入脉冲前后沿的影响以及示波器频宽的限制，此装置只适用于测量开关时间较长的晶体管。,2,、实验步骤,a.,用如下实验装置观察晶体管输入输出波型，读出各参数。,b.,比较高频管与低频管的开关参数。,c.,改变外电路偏置，研究电路偏置对开关时间的影响。,3,、实验数据处理,a.,记录双踪示波器上观察到的输入脉冲与输出电压波型,;,b.,测量高频管与低频管的开关参数即延迟时间,T,d,、上升时间,T,r,、存储时间,T,s,和下降时间,T,f,。,