半导体特性分析实验

半导体特性分析实验（PN结I-V特性测试）

在微电子和固态电子学领域，半导体PN结几乎是构成一切有源器件以及像二极管一些无源器件的最基本单元。本实验的目的是了解PN结的基本I-V特性，包括有非线性、整流性质，学习曲线拟合方法，求出波尔兹曼常数。

一、实验目的

了解PN结的基本特性，掌握PN结的伏安特性，学习曲线拟合方法，求出波尔兹曼常数。

二、实验内容

测试未封装PN结的I-V特性曲线，进行曲线拟合，求出波尔兹曼常数。三、仪器设备

4200-SCS半导体特性测试系统，二极管，探针台

四、实验原理

1、PN结的伏安特性

在半导体材料中，P型区域与N型区域的交界处附近会形成一个特殊的区域，这个区域叫PN结。PN结是半导体器件的核心，检测半导体器件实际上就是通过外部引脚测量内部PN结。PN结具有三个重要参数：单向导电；正向导通压降；反向击穿电压，它们是判断PN结好坏、识别无标识的半导体器件类型和各引脚电极的主要依据。二极管就是一个单独封装的PN结。在未封装前检测PN结，进行实时监控，可以更及时迅速发现质量问题，减少浪费。

单向导电：当给PN结施加正向电压时，即正极（连接到P区）接正、负极接负（联结到N区）接负。PN结呈现为导通状态，有正向电流流过，并且该电流将随着正向电压的增加，急剧增大。当给PN结施加相反的电压时，二极管呈现为截止状态，只有少量的穿透电流I BO（µA级以下）流过。

正向导通压降：PN结上加上正向电压导通后，会保持一个相对固定的端电压VF，VF称为“正向导通压降”，其数值依选用的半导体基材不同而有别，锗半导体约为0.3V；硅半导体约为0.7V。

反向击穿电压：当给PN 结施加的反向电压值达到其所能承受的极限值（反向击穿电压VZ ，大小因不同的PN 结有别）时，二极管呈现为导通状态，且在允许的反向电流范围内，其端电压会基本保持为VZ ，即PN 结反向击穿后具有“稳压特性”。

这些参数都可以在伏安特性曲线也就是PN 结的I-V 特性曲线上可以得到。在直角坐标系中，如果以PN 结的端电压V 为横坐标，电流I 为纵坐标，得到一条曲线，该曲线就被称为PN 结的伏安特性曲线，见图1。从图中可以看到，在给二极管加上的正向电压数值必须大于Vr 时才可以导通，Vr 称为死区电压。

图 1

2、由PN 结的伏安特性拟合波尔兹曼常数

从固体理论可知，理想的PN 结的正向电流-电压关系满足下式

1T k eU exp [I I B 0−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛= （1） 其中，I 是通过PN 结的正向电流，I 0是反向饱和电流（与半导体的性质和掺杂有关），U 是加在PN 结上的正向电压，T 为绝对温度，k B 为波尔兹曼常数，e 为基本电荷。常温下，38T k /e B ≈，()1T k /eU exp B >>，则（1）式可以近似写成

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛=T k eU exp I I B 0 （2） 在常温下，PN 结的正向电流随正向电压按e 指数规律变化。测量得到了PN 结的伏安特性以及温度T 后，可以利用基本电荷值，求得波尔兹曼常数k B 。将式

（2）两边取对数，即可得到

T

k eU lnI lnI B 0+= （3） 分别以U 和lnI 为变量，作线性最小二乘法拟合，得到e/k B T ，可以得到k B 。 但是在实验中，往往得不到好的结果，因为（1）存在耗尽层电流其值正比于()T k 2/eU exp B ；（2）存在表面电流，其值正比于()T k /eU exp B m ，m>2。

五、实验步骤

1、打开各种仪器的电源，预热10分钟。

2、启动4200-SCS 半导体特性测试系统。

3、打开PN 结I-V 测试程序。

4、设定两个端口分别为“SMU1”和“SMU2”。

5、设置测试电压范围。

6、进行I-V 特性测试。

7、进行图表分析、文件存档。

六、思考题

为了更精确的拟合波尔兹曼常数kB ，应该如何对实验进行改进？

七、参考资料

[1] 半导体特性测试仪使用说明书

[2] 刘恩科，半导体物理学，上海科学技术出版社，P．397，1984.

[3] 陆申龙等，半导体PN 结I-V 关系曲线拟合以及e/k B 的测定。物理实验 （1），1992.

七、实验仪器

1、Keithley 4200SCS 半导体参数测试系统介绍

美国吉时利仪器公司(KeithleyInstruments,Inc.)在设计生产高精度精密测量仪器方面一直处于世界领先地位，尤其在极弱电学量测量仪器方面享有很高的声誉。Keithley 公司的半导体参数测试系统为半导体器件和测试结构的直流参数分析提供了一套完整的方案。它将测量精度和速度与高性能交互式测试环境完美结合在一起。其目前广泛用于办导体行业也被用于单电子器件,纳米器件,MEMS 等新器件的研究.

系统IV 测量核心仪器是源测量单元（SMU ）和前置放大器（PREAMP ）。

每个SMU可以实现电压源、电压表、电流源和电流表4种功能。SMU的最大量程为100mA（21V）、210V（10mA），大功率SMU选件可以达到1A（21V）；SMU的最小量程可以分辨到0.1pA，1µV。SMU安装在4200-SCS的主机箱内。4200-PA前置放大器与SMU连接在一起。使用这一选件时，SMU可以分辨到0.1fA的极微弱电流并解决长电缆噪声问题。系统的最小配置含2个SMU，您还可以根据需要多达8个SMU，其中允许4 个大功率SMU。4200-SCS具有单独的接地端，所有的SMU都是完全独立的。所有的SMU都是完全保护的四线测量结构。

该系统本身含一台计算机，内置Windows XP操作系统，并具有GPIB接口，既能够作为主控计算机，又可以作为普通的程控仪器使用。标准配置里还包含RS-232串口、打印机并行接口、外显示器接口、以太网卡、键盘和鼠标、以及软盘驱动器和DVD 驱动器, USB接口。

该系统提供一套完整的IV&CV测试软件(KITE），在这个环境下，只须拖放鼠标，就可以轻松自如地设置测试条件，执行测试，获取参数结果及图形显示，在内嵌Excel中和图形上对参数进行分析。KITE还允许自己编写计算公式，并提供了常数表和科学运算、曲线拟合、数组分析等多种函数。

2、4200SCS操作步骤

现以NMOS为例进行说明。在将待测的MOSFET在探针台上放好后，就可以按照下述步骤进行测试。

(1) 打开4200SCS的电源开关，启动计算机，按Ctrl+Alt+Del登录系统，用户名为kiuser，密码为空。

(2) 双击桌面上的KITE图标，启动KITE(Keithley Interactive Test Environment)，并使用File菜单下的Open Project（见图4）载入default project （位于“C:\S4200\ kiuser\projects\default\default.kpr”）。