1、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。,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
2、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Ri 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Ri，即,测晶体管在VCE = 10V时某一工作点Q的Ri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 .
3、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hFE,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,、hFE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VCES和正向压降VBESVCES和VBES是功率管的重要参数，对开关管尤其重要。VCES是共射晶体管饱和态时C
4、E间的压降。VBES是共射晶体管饱和态时B E间的压降。一般硅管的VBES =0.70.8V，锗管的VBES =0.30.4V。VCES的大小与衬底材料和测试条件有一定的关系。VBES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VBES过大。,当测试条件为IC=10mA、IB=1mA时，图示仪的旋钮位置如下：峰值电压范围 050V 功耗电阻 0.51K 极性（集电极扫描） 正（+） 极性（阶梯） 正（+） x轴 集电极电压0.05V/度 y轴 集电极电流1mA/度 阶梯信号选择 0.1mA/级 阶梯信号 重复 级/族 10,调峰值电压，使第10级（即第11根
5、）曲线与IC=10mA的线相交，此交点对应的VCE值即为VCES（如图所示，VCES=0.15V）。,将y轴作用拨至 ，x轴作用拨至基极电压0.1V/度，即得如图所示的输入特性曲线。此曲线与IB=1mA的线交点对应的VBE值即为VBES（如图所示，VBES = 0.78V）。,(4) 反向击穿电压BVCBO、BVCEO和BVEBO 外延片制作的双极晶体管的反向击穿电压VB（一般指BVCEO或BVCBO）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BVCBO所对应的势垒宽度xmB时，VB还与WC有关。所以提高晶体管反向耐压可采取提高c、WC，减小二氧化硅
6、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。 BVCBO是共基晶体管在发射极开路时输出端CB间的反向击穿电压。BVCEO是共射晶体管在基极开路时输出端CE间的反向击穿电压。晶体管手册中（或实际测试中）的规定为：,BVCBO发射极开路，集电极电流为规定值时，CB间的反向电压值。 BVCEO基极开路， 集电极电流为规定值时，CE间的反向电压值。 BVEBO集电极开路，发射极电流为规定值时，EB间的反向电压值。,9013的BVCBO和BVCEO的测试条件为IC=100A，BVEBO 的为IE =100A。旋钮位置为： 峰值电压范围 0200V（测BVC
7、BO，BVCEO）020V （测BVEBO）极性（集电极扫描） 正（+）功耗电阻 550kx轴 集电极电压10V/度（测BVCBO，BVCEO）1V/度（测BVEBO）y轴 集电极电流0.1mA/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BVCBO=70V，BVCEO=40V、BVEBO=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
8、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
9、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、Wc过大，导致rcs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VCES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rcbn过大。,3、 实验步骤 a. 开启电源，预热5分钟，调节“辉度”、“聚焦”、
10、“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Vds的锯齿波扫描电压和栅极电压Vg的阶梯变化，且两者一一对应，便产生Vg从Vg0、Vg1、Vg2等Vce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 IdsVgs；直流输出特性 IdsVds和阈值电压Vt。,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
11、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1k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（IDSVDS）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
12、非饱和区）； 是饱和区； 是击穿区。,（2）阈电压VT 开启电压VT是对增强型管而言。它表示在一定漏源电压VDS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 IdsVgs得Vt。,（3）跨导(gm) 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
13、，用S表示，1S=1A/V。或用欧姆的倒数“姆欧”表示。,（3）击穿电压（BVDS） 当栅源电压VGS为一定值时，使漏电流IDS开始急剧增加的漏源电压值，用BVDS表示。当VGS不同时， BVDS亦不同，通常把VGS=0时对应的漏源击穿电压记为BVDS 。 将峰值电压旋钮转回原始位置，电压范围改为0200V，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BVDS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
14、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,fT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，IEICM时。可近似认为b， d , c 与IE无关，因而通过测量fT随IE的变化，并作出1/ fT与
15、1/IE的关系曲线，由曲线斜率即可求出CTe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fff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
16、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Vi，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Td、上升时间Tr、存储时间Ts和下降时间Tf。,晶体管开关时间参数一般是按照集电极电流iC的变化来定义： 延迟时间td：从脉冲信号加入到iC上升到0.1ICS。 上升时间tr ：从0.1ICS上升到0.9 ICS。 存储时间ts ：从脉冲信号去除到iC下降到0.9 ICS。 下降时间tf ：从0.9 ICS下降到0
17、.1 ICS。 其中td + tr即开启时间、 ts + tf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 Qb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-Vi上升到微导通电压Vj（约0.5V），集电结反向偏压由（Vc+Vi）减小到（Vc-Vj），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
18、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Cte、Ctc、fT、等晶体管本身的参数，也取决于Ib、Ic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Td 、上升时间Tr、存储时间Ts和下降时间Tf 。,
