半导体器件基础 实验讲义

图 1-1
二极管的伏-安特性
(1) 二极管正向特性测试 测试方法和步骤如下： A. 根据二极管的额定参数，选择合适的限流电阻； B. 按图 1-2(a) 接入待测二极管 D 和限流电阻 R； C. 逐步加大扫描电压， 就可在计算机显示屏上显示出如图 1-2(b) 所示的正向伏安特 性。从图 1-2(b) 可以得到：
二、实验仪器和待测器件
1. 实验仪器：半导体参数测试仪（Agilent B1500A） 、探针台。 2. 待测器件： (1) 二极管：IN4007 和 IN5819 各一只； (2) 限流电阻：2512 一只
三、实验原理
任何一个半导体器件都可以等效成一个二端或四端网络。 要了解该器件的性能和正确 使用及在生产中不断提高产品质量，就要熟悉其输入和输出特性曲线；而通过分析器件 的特性曲线，又可了解器件的参数和质量。这两组特性曲线是如何得到的呢？最早的方 法是给被测器件提供不同的偏压和偏流，利用电流表和电压表逐点测试，并根据测试结 果描述出其对应曲线。目前，人们可利用计算机控制加载不同的偏压和偏流，并通过计 算机将数据处理后显示在显示器上。半导体参数测试仪（Agilent B1500A）就是一种这样 的测试系统。半导体参数测试仪包括偏压和偏流源及测量系统、计算机控制和分析系统 等，电流电压的主要技术指标为： （1）最大电流：100mA；最小电流测量分辨率：1fA ； （2）最大电压：100V；最小电压测量分辨率：0.5 μV。
符号相反，有
(3-2)
式中 Vs 又叫表面势。考虑到半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、
QSC = QC
(3-3)
式中 QSC 是半导体表面空间电荷区电荷面密度。将式（3-2）和（3-3）代入式（3-1）得
C=A
dQC dQC C ox C s 1 =A = = 1 1 dVC d (Vox + Vs ) C ox + C s + C ox C s
③ 正向交流电阻 rF =

∆VFQ 。 ∆I FQ
(2) 二极管反向特性测试 测试方法和步骤如下： A. 根据二极管的额定参数，选择合适的限流电阻； B. 按图 1-3(a) 接入待测二极管 D 和限流电阻 R； C. 逐步加大扫描电压， 就可在计算机显示屏上显示出如图 1-3(b) 所示的正向伏安特 性。从图 1-3(b) 可以得到： ① 反向截止电流 I R ， 即规定反向偏压下所示对应的反向漏电流。 需结合选取的电阻 合理分析。
6
(a) 图 2-3 输出特性测量 (a) 接法；
(b) (b) 输出阻抗
按图 2-3(a) 接入待测管，逐步加大电压，就可在显示器上得到如图 2-3(b)所示的共 射极输出特性曲线簇。共射极电流增益定义为
hFE =
由图 2-3(b) 得
∂I C (VCE = Const ) ∂I B I "− I C ' ∆I C = C ∆I B I B 4 − I CB 2
(a) 2
(b)
图 1-2 二极管接法和正向特性：(a) 接法；(b) 正向伏安特性
① 给定工作电流下的二极管正向电压 V F 。例如，给定工作点 Q ，即给定工作电 流 I FQ ，就有正向压降 V FQ [见图 1-2(b)]。 ② 正向直流电阻 R F =
VFQ I FQ
。
从上述参数定义不难看出， 这些参数的测量基本上测量晶体管中各个 pn 结的反向特 性（ I CEO 和 BVCEO 除外） ，其测试方法与测量二极管反向特性基本相同，只是晶体管 各电极接入图示仪的方法有所不同，如图 2-1 所示。
（a）
（b） 图 2—1 测量各参数的电极接法：
（c）
(a)
I CBO
hFE =
(3) 晶体管反向饱和压降 VCES 测量
晶体管反向饱和压降 VCES 指在给定的 I B 和 I C 条件下集电极与发射极之间的 电 压 降。 对 于不 同功耗 的晶 体管， I B 和 I C 的 值各不相 同 。一 般 选取 I C ≤ I CM 、
I B = I C / 10 （ 相 当 于 hFE ≈ 10 ） 。 例 如 ， 对 于 3DG6 ， VCES 的 测 试 条 件 是 I C = 10 mA, I B = 1 mA 。测试方法和步骤如下。
逐渐加大集电极扫描电压，使最上面一根曲线正好达到 I C = 10 mA 为止。此时满
7
足测试条件，即 I C = 10 mA 和 I B = 1 mA 的交点所对应的 VCE 即为 VCES ，如图 2-4 所示。
图 2-4
VCES
的测试
五、注意事项
1. 测试前务必将管子的类型和管脚弄清楚，切勿插错。 2. 测试前最好弄清楚待测管子的极限参数， 正确选择扫描电压范围及功耗限制电阻。 功 耗电阻由大逐步减小。 3.待测管插入后应逐步加大电压。
目
实验一 二极管的直流参数测试 实验二 晶体管的直流参数测试 实验三 MIS 结构的高频 C-V 特性测量
录
实验一 二极管的直流参数测试
一、实验目的
1. 了解半导体参数测试仪（Agilent B1500A）的基本原理及构造。 2. 学会利用半导体参数测试仪（Agilent B1500A）测量二极管参数，通过试验分析被测 器件的质量及参数异常的原因。
四、实验内容和步骤
二极管的种类很多，按不同用途可为整流管（2CP 系列） 、检波管（2AP 系列） 、开关 管（2AK、CK 系列）和稳压管（2CW、2DW 系列）等。但无论哪类二极管，其伏-安特 性示意图如图 1-1 所示。因此，只要获取其伏安特性曲线，即可估算其各种参数，并可通 过伏安特性分析其质量。
图 3-1 MOS 结构 (a) 示意图；(b) 等效电路
下面先考虑理想的 MIS 结构（见图 3-2） 。理想的 MIS 结构包括满足如下三个条 件： (1) 金属与半导体之间没有功函数差别； (2) 不考虑绝缘层电荷的作用； (3) 绝缘层与半导体界面不存在界面态。 由于这种结构的绝缘层大多采用二氧化硅，故又称为 MOS 结构。
VCE = 5 V ，则在图 2-2(b) 右边一根曲线中自上往下数第五个亮点（Q）就对应 IB 值，
然后过 Q 点作曲线的切线，以切线为斜边作直角三角形，即可求得 hie = ∆V BE / ∆I B 。 显然，对不同的 I B 就有不同的 hie 。
(3) 输出特性测试 晶体管输出特性曲线是最常用的一簇曲线，很多重要参数都可以由此测出。晶体管 共射极电流增益 hFE 的测试方法和步骤如下。
9
图 3-2 外加偏压为零时，理想 MIS 电容的能带图 (a) p 型半导体； (b) n 型半导体
当在 MOS 电容两端加上外偏压后，半导体表面的能带就要弯曲。以 p 型半导体为 例，如果外加负偏压，则能带向上弯曲。这时金属电极上单位面积带负电荷 QM（以下电 荷均指单位面积的电荷） ；而半导体表面则出现一层极薄的空间电荷层，带正电荷，即价 带中的空间电荷 Qp（见图 3-3（a） ） 。如果外加正偏压，则半导体能带就向下弯曲，半导 体表面出现耗尽或反型层。 这时金属电极上带正电荷 QM； 而半导体表面的空间电荷层带 负电荷， 在耗尽时主要有电离受主所产生的负电荷 Qsc （见图 3-3 （b） ） ， 在反型时除了 Qsc 外还有导带中的电子电荷 Qn（见图 3-3（c） ） 。
(3-4)
上式表明，MOS 结构的电容由氧化层电容 Cox 和半导体表面空间电荷区电容 Cs 串联 构成，其等效电路如图 3-1(b) 所示。其中 Cox 的值不随 VG 而改变，有
C ox = A
dQC ε ε = A 0 ox dVox t ox
11
(3-5)
式中 ∈ox 是二氧化硅的相对介电常数；而 Cs 的值与外加偏压有关，有
和
BVCBO ； (b) I EBO
和
BVEBO ；
(c)
I CEO
和
BVCEO
(2) 输入特性（共射极输入阻抗 hie ）测试
测试前先要辨别是 pnp 管还是 npn 管。 按图 2-2(a) 接入待测管，逐步加大扫描电压，可得如图 2-2(b) 所示的共射输入特性 曲线。由共射极输入阻抗 hie 定义为
二．实验原理
MIS 结构如图 3-1a 所示，类似于金属和电介质组成的平板电容器；其等效电路见 图 6-1b，其中可变电容为半导体表面形成的势垒电容。由于半导体中的电荷密度比金属 小得多，因此充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度(约为微米量级)，而 不象金属中那样，只集中在一薄层（约 0.1 nm）内。
实验二 晶体管的直流参数测试
一、实验目的
1. 学会利用半导体参数测试仪（Agilent B1500A）测量晶体管一些常用器件参数； 2. 通过试验分析被测晶体管的质量及参数。
二、实验仪器和待测器件
1. 实验仪器：半导体参数测试仪（Agilent B1500A） 、探针台。 2. 待测器件： (1) 双极型晶体管：S9013 一只 (2) 限流电阻：2512 一只
5
hie =
∂VBE (VCE = Const ) ∂I B
(a) 图 2-2 输入特性测量
(b) （a）接法； （b）输入阻抗
由图 2-2(b) 可得
hie ≈
∆VBE (VCE = Const ) ∆I B
例 如 ， 若 要 测 出 VCE = 5 V , I B = 50 µA 时 的 输 入 阻 抗 ， 则 先 调 节 VCE ， 使
三、实验原理
同实验一。
四、实验内容和步骤
(1) 反向截止电流和反向击穿电压 ① 反向截止电流
4
I CBO ：E 极开路，C-B 极之间的反向漏电流； I CEO ：B 极开路，C-E 极之间的反向漏电流； I EBO ：C 极开路，E-B 极之间的反向漏电流。