实验一实验目的PN 结物理特性测试1. 了解 PN 结物理特性测试仪的原理； 2. 掌握 PN 结物理特性测试仪的使用方法； 3. 用 PN 结物理特性测试仪进行 PN 结物理特性的测试。实验仪器1. 仪器名称：PN-Ⅱ型 PN 结正向压降温度特性实验仪 2. 仪器结构及工作原理： 加热测试装置如图 1 所示，A 为可拆卸的隔离圆筒；B 为测试圆筒块，被测 PN 结 和温度传感器均置于其上；E 为加热器，装于铜块中心柱体内，通过热隔离后与外客固 定；引线通过高温导线连至顶部插座 H，再由顶部插座用专用导线连至测试仪；G 为加 热器电源插座，接至测试仪的“10”、“11”端。图 1 各部分名称：A→隔离圆筒；B→测 试圆筒块；C→测温元件；D→被测 PN 结；E→加热器；F→隔离圆柱；G→加热电源 插座；H→信号输出插座；I→信号线筒；J→隔离圆筒上盖；K→固定横杆；L→固定 竖杆；M→固定底板；N→装置底脚。 测试仪部分如图 2 所示，各部分分别为：（1）加热器电流 IH 指示；（2）微电流 IF 指示；（3）VF、△ V 电压指示；（4）温度指示；（5）加热器电流 IH 调节；（6） 微电流 IF 调节；（7）△ V 调零；（8）VF 测量选择；（9）△ V 测量选择；（10）加 热电流输出“+”；（11）加热电流输出“-”；（12）微电流 IF 输出“+”；（13）微电流 IF 输出“-”；（14）VF 输入“+”；（15）VF 输入“-”；（16）温度传感器输入“+”；（17） 温度传感器输入“-”。 测试仪由恒流源、基准电压和显示等部分组成，原理框图见图 3。在图三中，D 为 被 PN 结，RF 为 IF 的取样电阻，开关 K 用于选择测量对象和极性变换的作用，其中 P1、P2 测量 IF，P1、P3 测量 VF，P1、P4 测量△ V 电压。 恒流源有两组，其中“恒流源 1”提供正向电流 IF，其电流输出范围为：0～ 1000uA，连续可调；另外一组“恒流源 2”用于加热，其控温电流为：0.001～1.000A， 连续可调。 基准电压源也有两组，一组用于补偿被测 PN 结在 0℃或室温 TR 时的正向压降 VF （0） 或 VF （TR） ，可通过调节在测试仪面板的“△ V 调零”电位器“ （7） ”实现△ V = 0，并满足此时若升温△ V&0,若降温△ V&0,则表明正向压降随温度的升高而下降。另一组 基准电压源用于温度转换和校准，因为本实验采用的温度传感器的输出电流以 1uA/K 正比于绝对温度，在 1KΩ 电阻上产生 1mV/K 的输出电压，范围为 218.2～423.2mV，相 应的温度范围为 218.2～423.2K（即-55℃～150℃）。为了方便的显示该温度，设置了 一组 273.2 mV 的基准电压，经过转换后输出电压变为-55mV～150 mV，对应于温度 -55℃～150℃，这样不仅可以用 3 1 2 位 LED 数字电压表显示，而且以℃为单位也符合使 用习惯。 上述的 PN 结工作电流 IF、PN 结电压 VF、PN 结电压变化量△ V、加热恒流 IH， 温度 T 均通过 3 1 2 位 LED 数字电压表显示在测试仪的面板上，以便采集。图 1. 加热测试装置示意图图 2.测试仪部分示意图图 3.测试仪原理框图实验原理理想的 PN 结的正向电流 IF 和正向压降 VF 存在如下近似关系式：I F ? I S exp(qVF ) kT（1）其中 q 为电子电荷；k 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；IS 为反向饱和电流，它是 一个 PN 结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明：I S ? CT r exp[?qVg (0) kT]（2）其中 C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数；r 也是常数（见附录）；Vg（0）为 绝对零度时 PN 结的导带底和价带顶的电势差。 将（2）式代入（1）式，两边取对数可得k C kT VF ? Vg (0) ? ( ln )T ? ln T r ? V1 ? V n1 q IF q其中，（3）k C V1 ? Vg (0) ? ( ln )T q IFVn1 ? ?、kT (ln T r ) q方程 （3） 就是 PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是 PN 结温度传感 器的基本方程。 令 IF = 常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中还包含非线性项 Vn1。 下面来分析 Vn1 项所引起的线性误差。 设温度由 T1 变为 T 时，正向压降 VF1 由变为 VF，由（3）式可得VF ? Vg (0) ? [Vg (0) ? VF 1 ]按理想的线性温度响应，VF 应取如下形式T kT T r ? ln( ) T1 q T1（4）V理想 ? VF1 ??VF1 （T ? T1） ?T（5）?VF ?V F 1 ?T 等于 T1 温度时的 ?T 值。由（3）式可得Vg (0) ? VF 1 k ?VF 1 ?? ? r ?T T1 q所以（6）V理想 ? VF1 ? [?Vg (0) ? VF1 T1k ? r（ ] T ? T1） q(7)? Vg (0) ? [Vg (0) ? VF 1 ]T kT ? (T ? T1 )r T1 q由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理 论偏差为? ? V理想 ? VF ?k kT T r r (T ? T1 ) ? ln( ) q q T1（8）设 T1=300 K，T1=310 K，取 r=3.4，由（8）式可得 △ =0.048mV，而相应的 VF 的改变量约 20 mV，相比之下，误差很小。不过当温度变化范围增大时，VF 温度响应 的非线性误差将有所递增，这主要是由于 r 因子所致。 综上所述，在恒流供电条件下，PN 结的 VF 对 T 的依赖关系取决于线性项 V1，即 正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是 PN 结测温的理论依据。 必须指出，上述结论仅适用于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间 （对于 通常的硅二极管来说，温度范围约：-50℃～150℃）。如果温度低于或高于上述范围 时，由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加，VF-T 关系将产生新的非线性，这 一现象说明 VF-T 的特性还随 PN 结的材料而异，对于宽带材料 （如 GaAs，Eg 为 1.43eV） 的 PN 结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能力小（如 Insb）的 PN 结，则低 温端的线性范围宽。对于给定的 PN 结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其 线性度也随温度的高低而有所不同，这是非线性项 Vn1 引起的，由 Vn1 对 T 的二阶导数d 2V 1 dVn1 ? 2 dT T 可知， dT 的变化与 T 成反比，所以 VF-T 的线性度在高温端优于低温端，这是 PN 结温度传感器的普遍规律。此外，由（4）式可知，减小 IF，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题， 目前行之有效的方法大致有两种： I．利用对管的两个 be 结（将三极管的基极与集电极短路，与发射极组成一个 PN 结），在不同电流 IF1、IF2 下工作，由此获得两者之差（VF1-VF2）与温度成线性函数 关系，即VF1 - VF2 ?kT I F 1 ln q IF2（9）由于晶体管的参数有一定的离散性，实际值与理论值仍存在差距，但与单个 PN 结 相比，其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，便 构成集成电路温度传感器。 II．采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知，非线性误差来自 Tr 项，利用函数发生器，IF 正比于绝对温度的 r 次方，则 VF—T 的线性理论误差△ =0。 实验结果与理论值会比较一致，其精度可达 0.01℃。实验内容1. 实验系统检查与连接 （1）左手扶隔离圆筒上盖“J”，右手扶隔离圆筒的筒套“A”，取下圆筒的筒套，检 查待测 PN 结管“D”和测温元件“C”应放在测试圆铜块“B”的左右两侧圆孔内，其管脚应 不与容器接触，然后套上筒套“A”。 （2） 将测试仪面板上的控温的加热器电流旋钮“5”逆时针旋到底，使加热器电流 IH 指示“0.000”A，接上加热器电源线和七芯信号传输线。将七芯屏蔽电缆信号线的插头 端接至加热测试装置顶部的插座“H”，连接时，应先将七芯插头与七芯插座的凹凸定位 槽对准，再按下插头线便可插好。 将七芯屏蔽电缆信号线另一端 PN 结的两组红黑香蕉插头分别接至测试仪面板的 “12”“13”“14”“15”插孔，注意红黑要对应好，切勿接错。 再将七芯屏蔽电缆信号线另一端的温度传感器输出端的红黑香蕉插头，接至测试 仪面板的“16”“17” 插孔，注意红黑要对应好，切勿接错。 拆除信号线时，应拉插头的可动外套，决不可鲁莽左右转动，或操作部位不对而 硬拉，否则可能拉断引线影响实验。 打开电源开关，预热几分钟后，此时测试仪上的温度表（“4”）将显示出室温 TR， 记录起始温度 TR 。VF（0）或 VF（TR）的测量 调节测试仪面板上的微电流 IF 调节旋钮“（6）”，使 PN 结的正向电流 IF=50uA。 将测试仪面板上测量转换开关 K 的“（8）”VF 测量选择按下，记录此时的 VF 值。 将测试仪面板上测量转换开关 K 的“（9）”△ V 测量选择按下，调节△ V 调零电位 器“（7）”，使△ V=0。 本实验的起始温度如需从 0℃开始，则需将隔离圆筒置于冰水混合物中，待到温 度显示为 0℃时，再进行上述测量。 2. 测定△ V—T 曲线 调节测试仪面板上的控温的加热器电流旋钮“5”，逐步提高加热电流 IH，进行变温 实验，并记录对应的△ V 和 T，至于△ V 和 T 的数据测量，可按△ V 每改变 10 或 15mV 立即读取一组△ V、T，这样可以减小测量误差。注意： 在整个实验过程中，升温速率要慢，且温度不宜过高，最好控制在 120℃以内。 3. 求被测 PN 结正向压降随温度变化的灵敏度 S（mV/℃） 以温度 T 为横坐标，为△ V 纵坐标，作△ V—T 曲线，其斜率就是 S。 估算被测 PN 结材料的禁带宽度。 根据（6）式，略去非线性项，可得Vg (0) ? VF (0) ?VF (0) ?T ? VF (0) ? S ? ?T T（10）△ T=-273.2K，即摄氏温标与开尔文温标之差。 将实验所得的 Eg （0） =eVg （0） 与公认值 Eg （0） =1.21 电子伏特比较，求其误差。 4. 数据记录 实验起始温度：TR = PN 结工作电流：IF = TR 时 PN 结的正向压降：VF（TR）= 加热器控温电流：IH = A ℃ uA mV改变加热电流，重复上述步骤进行测量，并比较两组测量结果。改变 PN 结的工作电流，使 IF =100uA，重复实验步骤进行测量，并比较两组测量 结果。选做实验内容利用半导体热电特性仪也可以测量 PN 结物理特性。 1、测 pn 结△ v-t（电压-温度）曲线，得到 v-t（电压-温度）曲线； 2、根据 pn 结 v-t（电压-温度）曲线，外延，求禁带宽度。 3、从实验仪表头读出制冷电流值请注意：本文公式中所用 T，无特别说明是指绝对温标下的温度值，而实验中直接测量值是摄氏温度。 对于 pn 结，求出温度系数 ? ，禁带宽度 E g 0 ? qU 0 最小二乘法求一元线性拟合数学表达式如下：??2T? U ?T ? U (T ? T )(U ? U )2 2 2（11）? T? U ?T? U ?? ? 2 2 ? T ?T ? ?U 0 ? U ? ? T（12）（11）式中? 表示相关系数（也有用 R 表示，注意与电阻符号区别）。（11）、 （12）式中上标横线表示平均值。这样，可求得 U, 估算被测 pn 结材料硅的禁带宽度E g 0 ? qU 0 (单位：eV，电子伏特)。将所得的 E g 0 与公认值 1.21 电子伏特比较，求其相对百分差。 pn 结的电阻值（或称 pn 结上的电压降，因为电流恒定）随温度线性变小，如公式U ? U 0 ? ? T 所示。可直接作线性回归。注意： 为提高测量精度，采用差分测量，本底电压 390mV。比如：电压从 600mV变至 400mV，我们差分测到的是 210mV 变至 10mV。需要把测量值还原到真实值。 即，真实的电压值 U real ? U show ? 390mV ，（单位：毫伏）要求：实验报告必须要有打印的图和数据表。算出禁带宽度后，与标准值比较，计算相对误差。思考题1、测量时，为什么温度必须在 -50℃～150℃ 范围内？ 2、测△ V—T 曲线为何按△ V 的变化读取 T，而不是按自变量 T 的变化读取 △V ？ 3、为什么实验要求测△ V—T 曲线，而不是 VF—T 曲线？实验二 单晶少数载流子寿命测试实验目的1. 理解单晶少数载流子寿命的测试原理。 2. 掌握单晶少数载流子寿命的测试方法。实验仪器1. 仪器名称：LT-2 型单晶寿命测试仪。 2. 仪器结构： 单晶少子寿命测试仪须配合示波器使用 （构成如下图所示） ，主机和示波器通过讯 号连接线相连。测试时将样品置于主机顶盖的样品承片台上，通过调节示波器同步电 平及释抑时间内同步示波器，使仪器输出的指数衰减光电导信号波形稳定下来，然后 在示波器上观察和计算样品寿命读数。前面板说明：后面板说明：主机承片台说明：样品的承片台位于主机箱顶盖中央，由两个电极和红外光透光孔组成，测试时将 样品置于两电极和红外光透光孔上。实验原理仪器的简单工作原理可以从下面的方框图中看出，高频源提供的高频电流流经被 测样品，当红外光源的脉冲光照射样品时，单晶体内即产生非平衡光生载流子，使样 品产生附加光电导，样品电阻下降，由于高频源为恒压输出，因此，流过样品的高频电流幅值，此时增加 ΔI；光照消失后，ΔI 便逐渐衰退，其衰退速度取决于光生非平衡 载流子在晶体内存在的平均时间(即寿命 τ)。在小注入条件下，当样品光照内复合是主 要因素时。ΔI 将按指数规律衰减，在取样器上产生的电压变化 ΔV，也按同样的规律变 化。即：ΔV=ΔV0e-t/τ 此调幅高频信号经检波器解调和高频滤波，再经宽频放大器放大后输入到脉冲示 波器，在示波器上就显示出一条如右图所示的指数衰减曲线，衰减的时间常数 τ 就是欲 测的寿命值。实验内容1、实验内容 测试时将样品置于主机顶盖的样品承片台上，通过调节示波器同步电平及释抑时 间内同步示波器，使仪器输出的指数衰减光电导信号波形稳定下来，然后在示波器上 观察和计算样品寿命读数。（1）接上电源线以及用高频连接线将 CZ 与示波器 Y 输入端接通，开启主机及 示波器，预热 15 分钟。在没放样品的情况下，可调节 W2 使检波电压为零。 （2）在电极上涂抹一点自来水（注意:涂水不可过多，以免水流入光照孔），然后 将清洁处理后的样品置于电极上面，此时检波电压表将会显示检波电压。如样品很 轻，可在单晶上端压上重物，以改善接触。 （3）按下 K 接通红外发光管工作电源，旋转 W1，适当调高电压。 （4）调整示波器电平及释抑时间内同步，Y 轴衰减 X 轴扫描速度及曲线的上下左 右位置，使仪器输出的指数衰减光电导信号波形稳定下来，并与屏幕的标准指数曲线 尽量吻合。 （5）关机时，要先把开关 K 按起。 2、特殊情况处理 （1）如波形初始部分衰减较快，则用波形较后部分测量，即去除表面复合引起的 高次模部分读数 (见示意图 4) 。 （2）如波形头部出现平顶现象，说明信号太强 (见示意图 5)，应减弱光强，在小 信号下进行测量。（3）为保证测试准确性，满足小注入条件,即在可读数的前提下，示波器尽量使用 大的倍率，光源电压尽量地调小。思考题1、为什么要在样品上涂抹少量自来水？ 2、在实际工艺中如何延长少子寿命？实验三C-V 特性测试一、实验目的 1. 掌握 CV-2000 型电容电压特性测试仪的使用方法； 2. 熟悉 C-V 特性的测量。 二、实验仪器CV-2000 型电容电压特性测试仪是测试频率为 1MHz 的智能化数字的电容测试仪 器，专用于测试半导体器件 PN 结的势垒电容在不同偏压下的电容量，也可测试其它电 容。 面板上的发光二极管指示仪器的工作状态，用数码管组成的显示板，将被测元件 的数值，小数点清晰地显示出来。仪器有较高的分辨率，电容量是四位读数，可分辫 到 0.01pF，偏置电压分辨力为 0.1V，漏电流分辨力为 0.01uA。 该仪器采用电流电压测量方法，它用微处理器通过 8 次电压测量来计算每次测量 后要求的参数值。用一个相敏检波器和模数转换器顺序快速完成电压测量。正交测量 通过交换测量信号的相位来进行，而不是参考相位检测。因而不需要精密的模拟相位 转换成电压矩形波电路。通过从同一个高频信号源形成测试信号和参考信号，来保证 正确的相位关系。由微处理器根据已知的频率和测试信号相位，用 ROM 存储器内的程 序来控制测量，以及存储在 RAM 中的校准数据来计算被测元件电容值。 三、实验原理 C-V 法利用 PN 结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓 度及其分布的信息，这类测量称为 C-V 测量技术。这种测量可以提供材料截面均匀性 及纵向杂质浓度分布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。虽然扩展电阻也能测量纵向分布，但它需将样品进行磨角，而 C-V 法既可以测量同型低阻衬底上 外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。 四、实验内容 1. 测量步骤： （1）开机 仪器安装连接好后，把电源开关按到 ON 位置，电源接通，仪器执行自检程序。 如果没有故障，测量指示灯亮。偏置电压指示状态为(电压去)，虽然偏置电压有显示， 但该电压尚未加到夹具上去。 （2）连接被测件 被测件引线应相当清洁且笔直，将它插入 CV-2000 测试座具即可。若被测件引线 脏，必须先擦干净，以保证接触良好。 （3）零校准 由于温度变化或改变夹具，都会引起寄生电感变化，因此，在每天开机 30 分钟 后，改变夹具或温度变化大于 3℃时，都要完成零校准。分两步完成： I、开路零校准。 a．开机 b.在测量功能检查之后，应按[开路校准]按钮。在电容显示屏内出现一个零，并且 通过灯亮，让人体远离仪器。按[校准触发]键并等一会，直到通过灯重新亮，开路校准 完成。 II、短路零校准。 把随机附带的短路铜片插入测试槽按[短路校准]按钮，电容显示屏内出现一个 5， 并且通过灯亮，按[校准触发]键等一会直到通过灯重新亮，短路零校准完成。完成后请 将短路铜片拿开。 （4） 测量 在零校准后按测量健，当测量指示灯亮即进入测量状态。 （5）偏置电压下测量电容 A.完成上面四个步骤后，把元件插入 CV-2000 夹具，夹具的插槽电压极性为：左 边插槽为（+）极，右边插槽为（-）极。如测试三极管集电极、基极反向电压特性，如系 PNP 型三极管基极插入（+）插槽，集电极插入（-）插槽，如系 NPN 型三极管基极 插入（-）插槽，集电极插入（+）插槽然后加不同偏压即可得出不同偏压下的电容值。 如测试二极管，则二极管的“+”极插入（-）插槽，“-”极插入（+）插槽，即可得出 不同偏压下的电容值。 B.粗调电位器“W1”及微调电位器“W2”的使用： W2 的调节范围是 0-V0(V0 在 20V 以下，不同机器有些许差别)，可精确调节每 0.1V。当测试元件反向耐压在 V0 以下，可将 W1 左旋至尽，单独调节 W2 即可。 当测试元件反向耐压在 100V 以下，则需 W1、W2 配合使用，请按以下步骤进行 操作： 首先测量 20V 以下电容值：将 W1 左旋至尽，单独调节 W2 同时记录电容值，当 W2 右旋到头时记下电压 V1。 完成后再将 W2 左旋至尽，然后慢慢右旋 W1 使偏压电压值显示为 V1，然后慢慢 调节 W2，并记录电容值，当 W2 右旋至尽时记下电压 V2。 完成后再将 W2 左旋至尽，然后右旋 W1 使偏置电压显示为 V2，然后慢慢调节 W2，重复步骤 2 即可得出 100V 以内的偏置电压下的电容值 五、思考题 什么是 PN 结的电容效应？它有哪些应用？ 注意： 1、加偏置电压时，请不要用手触摸电极，以防触电 2、为保护下次测量的器件关机前请分别将 W1、W2 左旋至尽，使偏置电压显示 为 0V。实验四一、实验目的1. 熟悉晶闸管； 2. 掌握晶闸管导通截止的原理；晶闸管实验电路3. 了解晶闸管工作基本电路组成。二、实验仪器1. 数字万用表； 2. 模电测试仪。三、实验原理晶闸管又叫可控硅，自从 20 世纪 50 年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它 的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、 快速晶闸管，等等。可控硅整流元件或者晶闸管，英文缩写为 SCR，是一种大功率硅 半导体器件。它具有同半导体二极管相似的单向导电特性，但导通可控制，所以说是 具有可控的单向导电特性的整流元件。利用该特性，可组成各种不同功能的装置，如 把交流电变换成大小可调的直流电。其结构与符号如下图所示：图 1. 晶闸管的结构及其符号 可控硅是 PNPN 四层三端结构的器件，共有三个 PN 结，分析原理时，不妨把它看 作由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成，其等效图解如图 1 所示：图 2. 晶闸管结构图及等效图 当阳极 A 加上正向电压时，BG1 和 BG2 管均处于放大状态。此时，如果从控制极 G 输入一个正向触发信号，BG2 便有基流 Ib2 流过，经 BG2 放大，其集电极电流 Ic2=β2Ib2。因为 BG2 的集电极直接与 BG1 的基极相连，所以 Ib1=Ic2。此时，电流 Ic2 再 经 BG1 放大，于是 BG1 的集电极电流 Ic1=β1Ib1=β1β2Ib2。这个电流又流回到 BG2 的基 极，形成正反馈，使 Ib2 不断增大，如此正向反馈循环的结果是两个管子的电流剧增， 使可控硅饱和导通。由于 BG1 和 BG2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后， 即使控制极 G 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，触发信号只起触发作用 而没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。 因为可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以具有开关特性，而这种特性需要 一定的条件才能转化。具体条件见表 1： 表 1 可控硅导通和关断条件 状态 从关断到 导通 维持导通 从导通到 关断 条件1、阳极电位高于是阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流说明 两者缺一 不可 两者缺一 不可 任一条件 即可1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流四、实验内容1. 装接电路 （1）用万用表判断实验箱上晶闸管及发光管的好坏。 （2）按下图所示连接电路。（注意：图中二组电源各自独立。）（3）接线完毕，仔细检查，确定无误后接通电源。 2. 打开开关，同时调整可调电源 VD，观察发光管应正常发光。 3. 调整可调电源 VD，用万用表测各点电压观察导通截止情况。 4. 测试后，填写下表： 可调电源给定电压值 0.5V 0.8V 1.0V 1.2V 1.5V 1.8V 2.0V 2.3V 2.5V 5. 从列表中总结晶闸管的开关特性。 晶闸管二端 KA 间电压五、思考题1、从结构分析晶闸管的优点与缺点各是什么？ 2、与晶闸管特性、功能相类似的半导体器件有哪些？实验五一、实验目的晶体管特性图示仪1. 了解晶体管特性图示仪的基本使用方法； 2. 用晶体管特性图示仪对半导体元器件进行测量。二、实验仪器QT-2 型晶体管特性图示仪可根据需要测量半导体二极管、三极管的低频直流参 数，最大集电极电流可达 50A，基本满足 500W 以下的半导体管的测试。该仪器还附有 高压的测试装置，可对 3KV(5KV)以下的半导体管进行击穿电压及反向漏电流测试，其 测试电流最高灵敏度可达到 0.5uA/度。所提供的基极阶梯信号还具有脉冲阶梯输出， 因此可扩大测量范围及对二次击穿特性的测量。三、实验内容1. 测试前的注意事项： （1）对被测管的主要直流参数的熟悉与了解，特别要了解该被测管的集电极最大 允许耗散功率 Pcm，集电极对其它极的最大反向击穿电压如 BVCEO，BV CBO， BVCRR，集电极最大允许电流 Icm 等主要指标。 （2）在测试前首先将极性与被测管所需要的极性相同，即选择 PNP 或 NPN 的开 关置于规定位置，这样基本上确定了被测管的集电极电压极性，阶梯极性，以及测量 象限。 （3）将集电极电压输出按至其输出电压不应超过被测管允许的集电极电压，一般 情况下将峰值电压旋至零，输出电压按至合适的档级，井将功耗限制电阻置于一定的 阻值，同时将 X、Y 偏转开关置于合适的档级，此档级以不超过上述几个主要直流参数为原则（实际上 X、Y 偏转开关井不直接影响被测管，但由于所选择的位置相差过远， 会不易觉察某些特性已大大超过允许值而导致被测管损坏）。 （4）对被测管进行必要的估算，以选择合适的注入阶梯电流或电压，此估算的原 则以不超过被测管的集电极最大允许耗损功率。估算方法一般取被测管 β 为 100 级/族 为 10 级，此时在管子的承受功率 Po=Ib ×10 级×β×Vce（在发射极接地的情况下）要求 Po&Pom。 （5）在进行 Icm 的测试时一般采用单次阶梯为宜，以免被测管的电流击穿。 （6） 在进行 Io 或 Icm 测试中应根据集咆极电压的实际情况，不应超过本仪器规定 的最大电流。具体数据列表如下： 电压档级 允许最大电流 10V 50A 50V 10A 100V 5A 500V 0.5A 3KV 5mA在进行 50A（10V）档级时当实际测试电流超过 20A 时以脉冲阶梯为宜。 2. 测试前的开机与调试 （1）开启电源。将电源开关向右方向按动，此时白色指示灯即发光亮，待预热十 分钟后立即进行正常测试。在必要时测量进线电压以在 220V 士 10%的范围内为宜。 （2）调节辉度聚焦、辅助聚焦及标尺亮度。将示波管会聚成一清晰的小光点，标 尺亮度以能清晰满足测量要求为原则。 （3）Y、X 移位。对 Y、X 移位旋钮置于中心位置，此时光点应根据 PNP、NPN 开关的选择处 于左下方或右上方。再调节移位旋钮使其在左下方或右下方实线部分的 零点。 （4）对 Y、X 校准。将 Y、X 灵敏度分别进行 10 度校准，其方法将 y（或 X）方 式开关自“⊥”至“校准”，此时光点或基线应有 10 度偏转，如超过或不到时应进行增益 调节。 （5）阶梯调零。阶梯调零的原理即将阶梯先在示波管上显示，然后根据放大器输 入端接地所显示的位置，再调节零电位器使其与放大器接地时重合即完成调零。 （6）电容性电流平衡。在要求较高电流灵敏度档级进行测量时，可对电容性电流 进行平衡，平衡方式将 Y 偏转放大器置于较高灵敏度档级使示波管显示一电容性电 流，调节电容平衡旋钮使其达到最小值即可。 （7） 集电极电压检查。在进行测量前应检查集电极电压的输出范围，检查时将 Vo 置于相对应档级，当发现将峰值电压顺时针方向最大时，其输出在规定值与大于 10% 之间即正常，如超过或小于上述规定请检查进线电压（此时功耗限止电阻应等于 0）。3. 对不同的半导体器件进行辨别和测试，分别记录其特性参数。 （1）二极管 1N4007 是典型的整流二极管，采用 DO-41 塑封。特点是正向压降低，可承受高的 突波电压。 最大额定值如下表： 额定值 符 号 1N4007 单位连续峰值反向电压 工作峰值反向电压 反向直流阻止电压VRRM VRWM VR1000 V非连续峰值反向电压VRSM1200V有效反向电压VR ( rms )700V正向平均整流电流Io1.0A非连续反向峰值突波电流I FSM30（单一周期）A结面的工作及存储温度范 围TJ , Tstg-65~+175℃说明： VRRM 为能够连续施加于二极管的峰值反向电压。如 1N4001 可耐压 50V， 而 1N4007 可耐压 1kV。 VR 为能够连续施加于二极管的反向最大直流电流。 VRSM 为能 够施加于二极管的非连续峰值反向电压。 I o 为 50Hz 正向整流电流的最大平均值。 要求：A．测量 1N4007 的伏安特性曲线，记录数值、画出曲线； B．读取正向压降； C．观察反向在 500V 时的截止情况，并记录 500V 时的漏电流。 （2）齐纳二极管 齐纳二极管的主要作用就是当作一种电压调整器，提供稳定的参考电压，可应用 在电源供应器、电压表与其他的仪器中。图 1.（a）齐纳二极管的符号；（b）特性曲线 齐纳二极管设计用于反向击穿。符号及其伏安特性见图 1，齐纳二极管可以串联 起来以便在较高的电压上使用，即通过串联可获得更多的稳定电压。动态阻抗Z Z ? ?Vz ?I z好。，单位欧姆。反向击穿曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈在齐纳二极管的稳压电路中一般都加限流电阻 R，使稳压管电流工作在 IZmax 和 IZmin 的稳压范围。在应用中还要采取适当的措施限制通过管子的电流，以保证管子不 会因过热而烧坏。 要求： A．测量 Z5V1 的 I-V 特性曲线，记录数值、画出曲线； B．读出并记录反向击穿点对应的反向漏电流； C．计算齐纳阻抗。 （3）三极管S8050 是小功率的三极管，NPN 型，当作电子开关用，晶体管往往交替地在截止 区和饱和区工作。数字电路就是利用晶体管的这种电子开关特性。采用 TO-92 塑封， 引脚示意图如下：图 2. S8050 引脚示意图 要求： A．测量 S8050 的 I-V 特性，记录数据、做出曲线； B．读出并记录导通时的 IB 值； C．读出并记录集电极饱和电流值 ICM。 S8550 是小功率三极管，PNP 型。D 表示直流增益的范围大约为 160-300。引脚排 列方式同 S8050，与 S8050 互补，常配对使用。工作在放大状态。图 3. 晶体管工作在放大状态的原理示意图 要求： A．分别测量 S8050 的输入、输出 I-V 特性，记录数据、做出曲线； B．在曲线图中读出并标出输出伏安特性中的 ICE0； C．从曲线图中读取晶体管的直流电流增益 ? DC ，即 hFE 。（ ? DC ? hFE ? IC I B ） （4）芯片 TL431TL431 是三端可调整的分路调节器 （稳压器），采用塑料圆柱形封装。可替代齐纳 二极管。TL431 是 TI [Texas Instruments] 公司的产品。实验样品对应的引脚示意图和 电路符号如下：图 4. TL431 引脚示意图（左）及电路符号图 5. TL431 原理简图 要求： A．测量 TL431 的 I-V 特性，记录数据、画出曲线； B．对比 Z5V1 的特性曲线，分析异同。四、思考题1、请从 Z5V1 的击穿电压值判断其击穿类型，是雪崩击穿、齐纳击穿、还是二者 混合，说明判断理由。 2、（1）对比 1N4007 的伏安特性，说明什么是完整二极管模型，并说明与理想二 极管和实际二极管模型的差异。 3、请回答为什么 S8050 为 NPN 型？（提示：从电子开关的应用角度思考。） 4、请回答为什么 S8550 的输出特性曲线在第三象限？在应用电路中经常将 S8050 和 S8550 配对使用，为什么？ 5、思考 TL431 相较于齐纳二极管的优缺点。实验六集成电路测试集成电路 （IC） 测试是伴随着集成电路的发展而发展的，它对促进集成电路的进步 和应用作出了贡献。为了确保产品质量和研制开发出条例系统要求的电路，在集成电 路研制、生产和应用等各个阶段都要进行反复多次的检验、测试。 集成电路的测试，尤其是进厂的检验、测试对其应用也是十分必要的，图 1 表示 出发现每故障检出费与检出阶段的关系。从图可以看出，产品进厂检验（器件级测试） 每故障检出费用为 0.3 美元，在印制电路板上（板级）测试则检出费提高一个数量级， 系统级及维修阶段测试，其每故障检出费用分别提高 2 个和 3 个数量级。可见，集成 电路进厂的测试不仅对确保系统可靠性有重要作用，而且对降低系统成本意义也十分 重大。一、实验目的1. 了解集成电路测试仪的原理； 2. 掌握集成电路测试仪的使用方法； 3. 用集成电路参数测试仪进行集成电路芯片的测试。二、实验仪器GT2100A 是一种性能实用、操作简单、测试可信度高、成本低廉的优秀测试仪 器。它具有以下主要特点： 1．测试电源拉偏状态下，输出电平加载测试。 2．对输出电流、输出电压直流参数进行测试的同时，完成真值表功能测试。3．真值表功能测试的同时，完成三态（高阻状态）漏电流测试。 4．对 IC 输入电流、功耗电流测试。 5．输入漏电流及交叉漏电流测试。 6．测试过程无须人工干预。 7．用户可以自选测试模式，使用方便、操作简洁。 8．可自动识别 74 系列中的 CMOS 器件。 9．可以查找未知 IC 的型号。（一）显示面板详图说明： 1．3.25V～15V：测试电压（Vct）值 2．VoL-、VoL+iv 、Voh-、Voh+：输出高、低电平值 3．Iimin、Iinom、Iimax： 被测 IC 输入端输入电流值 4．Iomin、Ionom、Iomax： 被测 IC 输出负载电流值5．POWER：仪器电源显示灯 6．TESTING： 测试指示灯 7．PASS： 测试通过（合格）指示灯 8．FAILin： 输入失效（不合格）指示灯 9．FAILout： 输出失效（不合格）指示灯 10．FAILICC （FAILin 与 FAILout 同时亮）功耗失效（不合格）指示 11．六位 LED，L0 为测试模式显示位、L1-L5 为被测 IC 型号显示位。 （二）键盘 1．数字键：0～9 共 10 个。 2．功能键： TEST：测试启动键 RESET：复位键 MODE：模式选择键 ENTER：回车键 NEXT/LOOP：①NEXT：数字及功能扩展键（用它可选择下一数字或 功能） ②LOOP：循环测试启动键 FIRM/STOP： ①FIRM：模式为?F” 时，作为编程确认键。 ②STOP：终止循环 测试 （三）关键词与主要数据 Io 被测器件输出负载电流 Ioh 被测器件输出高电平负载电流 IoL 被测器件输出低电平负载电流 Ii 被测器件输入端输入电流 Voh 被测器件高电平输出电压比较值 VoL 被测器件低电平输出电压比较值 Vct 被测器件测试电源值
三态漏电流及交叉输入漏电流测试值：10μA 静态功耗电流测试值： CMOS：Idd=10μA ； TTL：Icc=50mA三、实验原理本测试仪共有“0～D”14 种测试模式。14 种模式如下： 模式“0”：全组合参数测试。 模式“1”：功能测试，测试时不加任何负载。但“1” 模式下，与功能测试仪 的区别在于要进行测试“三态”IC 漏电流测试。 模式“2”～ “C”：不同的测试电压、输出高低电平、输入电流、输出电流值的组合，以满足用户对 不同测试参数的选择。 模式“D”：用户自设定参数模式。 模式“E”：仪器自检。 模式 “F”：编程测试（备用）。 模式“0”～“9”可直接键入数字键设置，“A”～“F”模式则先按数字键 &9&，再按 &NEXT/LOOP&键至 A~F 模式，再按&ENTER&键确认即可。显示面板 L0 显示用户设 置的模式。下面详细说明模式“0-F”的功能与使用。 1．模式“0”全组合参数测试： （1）对被测器件电源拉偏的同时,进行对应于 3 种输出负载电流的组合下 的输出 电平测试。输出电压比较值为 Voh+、Voh-、VoL+、VoL-(CMOS3V 时只测试功能)， 比较电平为 Voh+、VoL-。 （2）输入端输入电流测试，被测端为“1”，其余输入端置“0”，测试电源为 5V。 （3）静态功耗电流测试，CMOS：Idd&10μA 失效 ； TTL：Icc&50mA 失效。 （4）三态漏电流及交叉漏电流测试，漏电流大于 10μA 失效。 （5） 参数测试的同时，完成真值表功能测试。 测试时，按当时选中测试条件，点 亮对应指示灯。测试失效时，指示灯将 在失效时选中的负载及电源位置停留。 （6）电源选择：主机将根据 CMOS 及 TTL 芯片自动依次选择电源值。 2．模式“2-C”测试： （1）对被测器件电源拉偏的同时，进行对应于表 3-1 的各种直流参数测试 (CMOS3V 时只测试功能，比较电平为 Voh+、VoL-。)。 （2）输入端输入电流测试，被测端为“1”，其余输入端置“0”，测试电源为 5V。 （3）静态功耗电流测试，CMOS：Idd&200μA 失效 ； TTL：Icc&50mA 失效。 （4）三态漏电流及交叉漏电流测试：漏电流大于 10μA 失效。 （5） 参数测试的同时，完成真值表功能测试。测试时，按当时选中的输出负 载电 流及电源，点亮对应指示灯。测试失效时，指示灯将在失效时选中的负载及电源位置 停留。 （6）电源选择：主机将根据 CMOS 及 TTL 芯片自动依次选择电源值。 3. 模式“D”自选输入负载电流、测试电压、输入电流测试： （1）用&NEXT&键选择 D 后按&ENTER&键 （2）此时，L1 显示“0”，此状态 L1 可有 0～5，6 个选择项， &NEXT&键控制进 入下一个选择项，第二位数字值定义如下： 0：8 种下拉偏测试电压值 1：8 种上拉偏测试电压值2：4 种输出负载电流选择值 3：4 种输入注入电流选择值 4：2 种 Voh 选择 5：2 种 VoL 选择 a. L1 显示“0”，用户可按数字键&1&～&8&选择 8 种下拉偏电压值，L5 显示键值， 每个数值所对应的电压值如下所示：按一数字键后,相应的电源指示灯会亮。按&NEXT&键,进入下一项选择。 b. L1 显示“1”，用户可按数字键选择上拉偏电压。按&NEXT&键,进入下一项 选 择。 c. L1 显示“2”，用户可按数字键&0&～&3&选择四种输出负载电流，操作同 a。对 应关系如下：注：NOIo 不加负载 d. L1 显示“3”，用户可按数字键&0&～&3&选择 4 种输入输入电流，操作同 a。注：NOIi 不测输入电流。 e. L1 显示“4”用户可按数字键&0&和&1&选择 Voh &0&选 Voh-，&1&选 Voh+ f. L1 显示“5”，用户可按数字键&0&和&1&选择 VoL &0&选 VoL-，&1&选 VoL+按 &NEXT&键，全部参数设置完毕。 g. 按&ENTER&键，六位 LED 显示“d-----”，输入被测 IC 型号，即可开始测 试。 *注意：可随时根据面板指示灯来检查输入测试参数是否正确，若某一项输入有 误，可按数字键修改。若发现前面输入有误，可按&MODE&键返回 a 重新输入，不需 要更改项可按&NEXT&键跳过。4. 模式“E”自检： 自检内容包括计算机部分、显示、键盘及测试管脚电路。 操作：选模式“E”，按&ENTER&键确认“E”模式后，按&0&键，开始自检。 自检结 束显示 J1；再按&NEXT&键，LED 显示“END”说明主机无故障 5．模式“F”编程测试已经删除。 6．模式 1 测试： 仅仅进行加任何负载电流的真值表功能测试，但要进行三态漏 电流测试及功耗电流测试。 CMOS：Idd&10μA 失效 ； TTL：Icc&50mA 失效。 三态漏电流大于 10μA 失 效。 表 3-1 模式 0—C 所含测试参数四、实验内容1．打开仪器背面的电源开关，电源 POWER 指示灯亮。 2．按&MODE&键，进入模式设置状态。 “模式 0”的输出负载电流是从小到大变化的，测试最为严格，一般能在此模式下测 试通过的 IC 品种很少（74HC×× 除外）。除“模式 0”之外，“模式 7”的输出测试参数很 严格，“模式 5”与“模式 7”相比负载电流小；“模式 3”的负载电流又小于“模式 5”。 “模式 3”为推荐使用的测试模式，尤其适用于一般 74、54 系列 IC。对于 4000 系 列、4500 系列 IC，也可选用“模式 4”测试。3．设置 0─D 14 个测试模式的方法。 具体设置步骤： A．在进入模式设置状态后，0─9 模式可直接键入数字键〈0〉-〈9〉设置； A─D 模式则应先按数字键〈9〉，再按&NEXT/LOOP&键至 A-D。显示面 板 L0 显示用户所 设置的测试模式。 B．完成以上设置后，确认测试模式按&ENTER&键；进入被测芯片型号输入状 态。此时可以直接输入被测芯片型号。 注意：74 系列 IC，可略去 74×× ，（如 74LS00，则键入 00 即可。）4000； ；40000 系列 IC，可直接键入型 号。显示面板 L1—L5 将显示用户输入的被测 IC 型号。 C．完成以上设置，按&ENTER&键确认；READY 灯亮，说明测试模式和被测 IC 型号设置正确，而且测试库中有此 IC。否则为无效输入。 4．如设置被测 IC 型号无误，可以开始测试。 操作步骤： A．将被测芯片插入测试插座并锁紧。被测 IC 必须缺口向上插放，并且使缺口 端紧贴着测试插座最上端。 B．按&TEST&键可始测试。 测试通过：PASS 灯亮。 输入失效：FAILin 灯 亮。 输出失效：FALIout 灯亮。 真值表功能测试失效：FALIout 灯亮，同时测试电 源 Vct 显示 5V。 功耗失效：FAILin 和 FAILout 两灯同时亮。 C．循环测试时按&NEXT/LOOP &键，此时 LOOP 灯亮，开始循环测试；停止 循环时，请按&FIRM/STOP&键，芯片失效则直接退出循环。 注：各种模式参数详见 表 3-1。五、实验要求1. 开机，在模式“E”下进行自检，具体操作如前所述： 2. 完成芯片测试。 备测芯片： LS00——4 路 2 输入端与非门（NAND） LS02——4 路 2 输入端或非门（NOR） LS11——3 路 3 输入端与门（AND） LS10——3 路 3 输入端与非门（NAND）LS04——6 路反相器 4025——CMOS 或非门（NOR） 4503——CMOS 十六进制缓冲器 3. 描述其中一个芯片测试失败时显示面板上的显示信息。 4. 对于测试通过的芯片，指出其能够通过的所有测试模式。 5. 写出测试 IC 的型号，解释各部分的含义，并指明封装类型。 注意事项 1．测试灯（TESTING）亮时，不可插拔 IC。 2．被测 IC 管脚不干净或夹具太松，将造成测试失效。 3．自检时测试插座不可插入任何 IC。 4．本机通过测试，可自动识别 74 系列中的 CMOS 器件（如：74C，74HC， 74HCT 等）。当 IC 被确认为 74 系列 CMOS 器件时，将在显示的 IC 型号前，自 动添加 一个“C”字，以示当前被测器件为 74 系列 CMOS 器件。并对应 CMOS 器件 参数进行测试（被测器件电源为 TTL 电源）。 5．虽型号相同，但对管脚排列及功能有差别的 IC 进行测试时，本仪器能自动鉴 别，但在连续测试中需改换型号时应再输入型号。 比如：在被测 IC 中同时有 CD4078 和 14078 时，则应先测试其中的 4078 （或 14078） ；再输入 14078 （或 4078） 型号，对 14078（或 4078）IC 进行测试。 6．开机正常时，L0 应为 0（因开机自检，所以“Testing”会有闪烁）。 测试举例 （1）74LS00 测试 按&MOOD&选择测试模式 5（L0 显示 5）；按&ENTER&键确认；键入被测 IC 型 号 00；按下&ENTER&键“READY”灯亮；按下&TEST&键开始测试。测试结果显示 “FAILout”测试失效。显示面板会保留“模式 5”测试的失效状态：4.75V；Voh+； Io=Ionom（这几项指示灯亮）。 ·“Voh+”灯亮：表示其输出高电平 Voh 低于测试门限值（Voh&Vct-1.5V） · 失效时测试电压 Vct=4.75V。 · 失效时输出负载电流 Io=Ionom。 TTL 手册中，74LS00 的参数为：当 Vct=4.75V 时 Iohmax=0.4mA；Voh 的典型值=2.7V（最大值为 3.4V）； IoL=4 mA ； VoL=0.5V。 “模式 5”查表 3-1 及表 2-1 至 2-4 可知 TTL 芯片的负载参数为： Iohnom&1.4mA； Voh 取 Voh+=Vct-1.5V。 IoLnom=3mA； VoL-=0.4V 两组参数对比可知，74LS00 在“模式 5”下测试 Voh+失效属于正常 （但不排除有的 74LS00 在“模式 5”下能测试通过）。 74LS00 在“模式 0”下测试，将在显示面板上保留以下信息： “FAILout”、“4.75V”、“Voh+”、“Ionom”及“Iimax”（灯亮）。（注：其中“Iimax” 这条信息在“FAILin”灯不亮时，不属于失效信息。当只有“FAILin”灯亮时，除 “Iimin”、“Iinom”、“Iimax”以外其它信息均不属失效信息）。 以上信息说明：当测试电压=4.75V、输出负载电流=Ionom 条件下测试结果 Voh&Voh+输出电平失效。而这种输出负载电流及 Voh 的设置与“模式 5”及“模式 9”相 同，因此可以判断该 IC 在“模式 5”和“模式 9”下测试会失效；“模式 7”负载电流大于“模 式 5”和“模式 9”因而也一定会测试失效；而在“模式 2~4”下测试则一定通过。 “模式 3”查表 3-1 及表 2-1 至 2-4 可知 TTL 芯片的负载参数为： Iohmin&0.4mA；Voh+=Vct-1.5V； IoLmin=1mA； VoL-=0.4V 与手册值对比可知，74LS00 在“模式 3”下的测试可以测试通过。 说明：74LS×× 系列首选测试“模式 3”。 （2）4025 测试 4025 查手册： Vct = 5V 时，当 Ioh&0.5mA 时，Voh&= 4.6V 当 IoL&0.5mA 时，VoL&= 0.4V Vct = 10V 时，当 Ioh&1.3mA 时，Voh&= 9.5V 当 IoL&1.2mA 时，VoL&= 0.4V查表 2-1 至 2-4，CMOS 器件在“模式 5”下的参数为： Vct = 5V 时，Iohnom&0.4mA；Voh+ = 5-1.5 = 3.5V IoLnom=1mA； VoL- = 0.4V Vct=12V 时，Ioh&0.9mA； Voh+= 12-1.5 = 10.5V IoL=1mA； VoL-= 0.4V 两组参数比较可知本测试仪在 5V 下给出的负载电流 IoLnom 比较大，而实测该样 片在“模式 5”下测试通过，说明被测 IC 的直流带载能力较强。 说明：被测 IC 在“模式 5”及“模式 6”下测试均能通过。六、思考题1、74 系列与 4000 系列有什么不同？实验七 半导体热电特性的测量热电特性是材料的物理性质中的一个重要方面。本实验学习测量半导体材料热电综合特性 的实验方法及其实验装置，研究了不同材料的热电特性，并学习智能化的综合测量和数据 处理方法。本实验所用方法可用于生产实践，比如家用电器的温度测量与控制、车用半导 体冰箱、航天器上的温差发电等方面。本实验体现了在一个实际的工程应用中，电学、半 导体物理和热学知识的综合作用。 一、实验目的 1．了解半导体热敏电阻、pn 结的电输运的微观机制及其与温度的关系； 2．了解计算机实时采集、处理实验数据； 3．测量半导体热敏电阻的电压-温度曲线； 4．测量半导体 pn 结的电压-温度曲线； 测量制冷电堆的制冷系数和导热系数（或制冷半导体的塞贝克系数）； 掌握直接或间接用最小二乘法做一元线性回归，拟合得到热敏电阻的温度系数（热敏指数） 和 pn 结的禁带宽度。 二、实验仪器及原理 半导体材料的热电特性最为显著，因此，也最常用作温度传感器。一般而言，在较大的温 度范围内，半导体都具有负的电阻温度系数。半导体的导电机制比较复杂，起电输运作用 的载流子为电子或空穴。载流子的浓度受温度的影响很大，因此半导体的电阻率受温度影 响也很大。随着温度的升高，热激发的载流子数量增加，导致电阻率减小，因此呈现负的 温度系数的关系。但是实际应用的半导体往往通过掺杂工艺来提高半导体的性质，这些杂 质原子的激发，同样对半导体的电输运性能产生很大的影响。同时在半导体中还存在晶格 散射、电离杂质散射等多种散射机制存在，因此半导体具有非常复杂的电阻温度关系，往 往不能用一些简单的函数概括，但在某些温度区间，其电阻温度关系可以用经验公式来概 括，如本实验中用的半导体热敏电阻，它的阻值与温度关系近似满足下式：R ? R0e1 1 B( ? ) T T0（1）式中 R0 为 T0 时的电阻（初值），R 是温度为 T 时的电阻，T 为绝对温度，B 为温度系数 （热敏指数）。 B 在工作温度范围内并不是一个严格的常数，但在我们的测量范围内，它 的变化不大。将上式变形得到： InR=B.1/T+C （2）以 lnR 为纵轴，1/T 为横轴做图，直线的斜率即为 B 值。 pn 结构成的二极管和三极管的伏安特性对温度有很大的依赖性，利用这一点可以制造 pn 结 温度传感器和晶体管温度传感器，本实验用的测温元件为二极管温度传感器。二极管的正 向电流 I、电压 U 满足下式： I= Is(eqU/kT-1) （3）其中 q 为电子电荷；k 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；Is 为反向饱和电流（和 pn 结材料 的禁带宽度以及温度等有关），可以证明 Is=CTrexp(-qU0/kT) （4）其中 C 是与结面积、杂质浓度等有关的常数；r 也是常数；U0 为绝对零度时 pn 结材料的导 带底和价带顶间的电势差。 将(4)式代入(3)式，两边取对数可得 U= U0-(kT/q)ln(c/IF)-KTlnTr/q（5） 其中非线性项-KTlnTr/q 相对甚小，可以忽略 因此，（5）式可写为 U=U0+αT（6） 其中 α=-k/qln(c/IF)（7） α 为负值，如 α=-2.3mV/°C 即温度每升高 1°C，电压减小 2.3mV，这样通过测量不同温度时 二极管两端的正向电压可以测得温度，这正是 pn 结传感器的测温原理。通过实验可以测量 α 值，并利用其它温度计给它定标，从而制作一个二极管温度计。由电压温度曲线外推， 还可求得 0K 时半导体材料的禁带宽度 三、实验装置 本实验所用装置由三部分组成：主控仪器箱（ 恒流源、电压电流测量及显示系统、制冷加 热控制系统和计算机接口系统） ；样品池 （内装样品及制冷元件、加热元件、测温二极管） ； 实验用微机一套 （内装实验数据处理程序） 。其中样品池由绝热材料密封 （导热系数 ≤0.01W （ / m?K） ） ，升温由黄铜载体内发热体提供热量，降温采用两级：一级为风冷，二级为 BiTe 系半导体制冷。 仪器与计算机连接，可实时观测到样品电导随温度的变化，实时显示过程中，采用时间小 区间积分取值消除了样品由于热躁声和热惯性带来的示值跳跃。可存储或打印当次实验所有原始数据，并做数据分析。在脱机状态下也可进行实验，从面板 LED 读取温度、电压、 电流值，数据保存于控制器中。 实验仪器可手动控制或计算机控制，数据可导出到 EXCEL 表格或纯文本文件中，以便用 EXCEL 直接处理或用 MATLAB、ORINGE 等工具处理。 四、实验内容与要求 1.脱机使用 （1）设置起始温度 仪器在空闲状态下按“设置”键，电压显示屏显示 STAR，温度显示屏显示默认起始温度 10oC，通过按“+”键使起始温度增大， “-”使起始温度减少，调整到计划的起始温度值后， 按“设置”键退出起始温度操作。 （2）设置结束温度 仪器在空闲状态下按两次“设置”键，电压显示屏显示 END。温度显示屏显示默认停止 温度 80 oC，通过按“+”键使停止温度增大，“-”使停止温度减少，调整到预计的停止温度值 后，按“设置”键退出起始温度操作。 （3）工作模式设定 仪器在空闲状态下按三次“设置”键，电压显示屏显示 SET，温度屏显示 0，再按“设置” 键退出设置操作到空闲状态下。 （4）测试 在空闲状态下按“运行”键，运行指示灯亮，仪器会根据当前的温度和设置的起始温度自动 进入制冷或加热状态，相应的指示灯点亮，调节测量室的温度达到设定的起始温度。然后 进入测量状态，每到一整点温度仪器会提示一声蜂鸣，同时运行灯闪动一下，直到测量室 的温度达到停止温度，仪器自动停止退出到空闲状态下。 2.连机使用 （1）设置开始和结束温度 点击“扳手”图标或选择“操作”菜单的?设置”选项，会弹出设置窗体，在开始和结束输入框内 分别输入预计的测量起始温度和停止温度，按“确定”返回坐标主界面，坐标的横轴温度刻 度会根据输入的温度范围重新划分。 （2）开始测量 设定好起始温度和停止温度后就可开始测试，按 “开”图标或“操作”菜单的“开始”选项，这 时观察仪器的“运行”灯亮并接通温控电源开始进入调温、测量状态。（3）停止测量 当开始测量后一般到达设定的停止温度，软件会向仪器发出停止命令，仪器停止运行，软 件界面会弹出“已到设定温度停机”。 （4）打印和读出仪器保存数据 可点击“打印”菜单中的“打印”选项。也可在仪器空闲模式下，点击 “读出”图标将保存的数 据读出，进行打印实验报告。 五、思考题 什么叫电阻温度系数？根据实验数据计算热敏电阻的电阻温度系数。实验八 薄厚厚度测量仪测量 SiO2 厚度 厚度测量仪是在半导体，纳米技术，电子材料，特殊薄膜等的研究和开发或生产过程 中测量薄膜厚度的装置。例如在半导体工程中绝缘膜，电极，保护膜等涂上许多膜或通 过视觉等制作细微电路，各个膜的厚度与设计图体现的一样，半导体才会正常运转，而 薄膜厚度测量仪是测量超细微膜的厚度，管理半导体样品的装置。 测量薄膜厚度有很多方法，利用探针的机械方法，利用显微镜的方法，光学方法是我 们经常使用的方法。本装置是分析光的数值，把光的数值变换成厚度数值的装置。 一、实验目的 （1） 了解利用反射光的干涉现象或利用光的相位差决定薄膜特性的原理。 （2） 掌握测量薄膜厚度及照度，光学常数的方法。 二、实验仪器及原理 钨-卤光源发出的光通过光学仪器入射到薄膜上。然后从薄膜表面和基盘反射的 光，通过反射型光纤探针内中间的一个反射光收集光纤又入射到分光计。这个反射光由 探测器里的光栅根据波长分解后，由 CCD 转换成电子信号，再由 A/D 转换器转换成数 字信号，最后通过通讯端口输入到 PC。使用的反射型探针外围的 6 个光纤用于确认照 射在样品上光的位置。 但是，测量的干涉光信号由于各种原因会包含一些干扰信号，无法准确进行计算。 所以先将包含干扰信号的干涉光通过求时间领域平均和波长领域求平均的过程得到清 晰的波形后再进行计算。 入射到薄膜的光一部分在薄膜表面反射，另一部分在薄膜和基板之间的界面反射， 并且存在多层薄膜时也在薄膜间的界面反射。 这些反射波是由同一光源发射出来的可干 涉性光，所以在不同波长出现上升或消减的干涉，从而测量的反射光根据薄膜厚度出现 sin 或只有波谷的图形等，在波长领域出现特别的光谱。这种光谱在知道薄膜组成时可 以由计算得出，所以相反地，可以求得与测量的光谱最终一致的薄膜组成。 SV2000 DLL 由以下几部分组成 （1） （2） （3） （4） （5） （6） 探测头 反射光纤 电源连接线 显微镜 ×10，×4 物镜 钨-卤光源三、实验内容与要求 测量步骤：1． 打开 SYSTEM 的所有电源。 2． 驱动桌面的 AThickOS 程序 3． 在 Toolbar 点击 Open Model 4． 打开与测量物性构造一样的 Recipe 文件 5． 点击 Detector Off 键，换成 Detector On 状态。此时 Open Model 键不会被激活， Reference,Dark,Sample 键被激活。 6． 把 bare Si 放在 Stage 上，点积 Detector 的 Focuing 键，对好表面和测量点。测量 点可以用显微镜的 Lever 上下调节，调节到可以看见 6 个聚焦点。 7． 关闭 Detector 的 Focusing 键后，点击 Reference[F3]键。 8． 把显微镜的 Stage 和物镜的距离扩到最大，点击 Dark[F4]键。 9． 把测量样品放在 Stage 上，点击 Detector 的 Focuing 键，对好样品表面和测量 点。 10． 关闭 Detector 的 Focuing 键后，点击 Sample[F5]键。 11． 在 Toolbar 点击 Fitting[F6]键，对好测量值和 Fitting 值。如果一次对不好，再 次点击重新 Fitting。 实验内容： 表一 薄膜厚度测量记录表 1. 样品名 4. 1 7. 2 10. 3 13. 4 16. 5 2. 衬底 5. 8. 11. 14. 17. 3. 薄膜厚度 6. 9. 12. 15. 18.【思考题】 根据实验原理及操作步骤，试分析功能 Detector On/Off Reference Dark Sample Fitting 具体作用实验九 标准四探针法测试方块电阻与电阻率 许多器件的重要参数和薄层电阻有关，在半导体工艺飞速发展的今天，微区的薄 层电阻均匀性和电特性受到了人们的广泛关注。随着集成电路研究的快速发展，新品种 不断开发出来，并对开发周期、产品性能（包括 IC 的规模、速度、功能复杂性、管脚 数等）的要求也越来越高。因此不仅需要完善的设计模拟工具和稳定的工艺制备能力， 还需要可靠的测试手段，对器件性能做出准确无误的判断，这在研制初期尤其重要。 四探针法在半导体测量技术中已得到了广泛的应用，尤其近年来随着微电子技术 的加速发展，四探针测试技术已经成为半导体生产工艺中应用最为广泛的工艺监控手段 之一。 一、实验目的 （1） 掌握标准四探针法的测量原理。 （2） 了解标准四探针法测电阻率相关公式推导 （3） 能使用双电测四探针软件进行测试。 二、实验仪器及原理 1．测量原理 当一强度为 I 的电流从探针 1 点流入半导体样品，从探针 4 点流出半导体样品时， 如果样品尺寸远大于探针间距，则可视半导体样品为无穷大。图 1 半无穷大样品上正负点电流源的半球等势面图2位置任意的四探针如图 4-5 所示，取流入样品的电流为正，流出样品的电流为负。以 1 点为球心，r 为半径，作一半球面，则半球上任一点的电流密度为：j=I/2?r2 而 j=??=-?d?/r (?代表半球面的电势)（1）（2）所以?=此式表明，在半无穷大的均匀表面上，距电流源 r 处的电势为 I?/2?r 把这一结果应用到一四探针（如图 4-6 所示）可得，探针 2/3 处的电势分别为： ?2=I?/2?s1- I?/2?s2 （4-10） ?3= I?/2?s3- I?/2?s4 （3）则探针 2/3 处的电势为： V23=?2-?3= I?/2?[1/s1-1/s2-1/s3+1/s4] （4） 上式中?为样品的电阻率。s1,s2,s3,s4 分别为探针 1-2，2-3，3-4 间的距离。 若采用最常见的直线型四探针，四根探针在同一平面的同一直线上，而且距离相 等，都是 s，此时，上式中的 s1=s,s2=2s,s3=2s,s4=s,带入上式得 V23=?2-?3= I?/2?[1/s1-1/s2-1/s3+1/s4]=I?/2?s （5）故只要测出流过 1，4 的电流强度及探针 2，3 间的电势差 V23，就可用下式求出电阻 率。 ?=2?s.V23/I （6）图 1 中的 I14V23 组合基于此原理。同理，可推得 I13V24 组合的计算公式。V ↓ ↑ ↓ ↑V12341234图 3 组合示意图 2．测量方法 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→４针，从２、３针测得电压V23+；电流换向，Ｉ从４针→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→３针，从２、４针测得电压 V24+； 电流换向，Ｉ从３针→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 mV 为单位）；4. 按以下两公式计算几何修正因子Ｋ： 若 1.18＜（V23 ／V24）≤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 ； (7) (6)5. 计算方块电阻 R□ ： Ｒ□ ＝Ｋ· (V23／Ｉ) (单位：Ω／□) ； (8)其中：Ｉ为测试电流，单位：mA； V23 为从２、３针测得电压 V23+和 V23-的平均值，单位：mV；6. 若已知样品厚度W，可按下式计算样品体电阻率ρ： ρ＝R□·W·F(W/S)／10 (单位：Ω.cm)； 其中：Ｒ□为方块电阻值，单位：Ω／□； W 为样片厚度，单位：mm（W ≤3mm）； S 为探针平均间距，单位：mm； F(W/S) 为厚度修正系数；(9)7. 计算百分变化率（以测试样品电阻率ρ为例）： ρ M －ρ m 最大百分变化（％）＝─────×100％ (10)ρm│ρa －ρc │ 平均百分变化（％）＝─────────×100％ ρc ２（ρM －ρm ） 径向不均匀度Ｅ（％）＝──────────×100％ ρM ＋ρm 以上式中：ρM 、ρm 分别为测量的电阻率最大值与最小值，单位：Ω.cm； ρc 为第 1、2 点（即圆片中心测量点）测量平均值，单位：Ω.cm； ρa 为除第 1、2 点外其余各点的测量平均值，单位：Ω.cm； (12) (11)3．实验仪器简介 RTS-9 型双电测四探针测试仪测量原理通过采用四探针双位组合测量技术，将范德 堡测量方法推广应用到直线四探针上。利用电流探针和电压探针的组合变换，进行两次 电测量，其最后计算结果能自动消除由样品几何尺寸、边界效应以及探针不等距和机械 游移等因素所引起的，对测量结果的不利影响。 仪器适用于测量片状半导体材料电阻率以及硅扩散层、离子注入层、异型外延层等 半导体器件和液晶玻璃镀膜层、电热膜……等导电膜的方块电阻(或称簿层电阻和面电 阻)。 性能指标? 测量范围 电阻率：10-4～105Ω.cm；方块电阻：10-3～106Ω/□； 电导率：10-5～104 s/cm；适合 样品厚度：≤3.00mm；可测晶片直径：140mmX150mm（配 S-2A 型测试台）； 200mmX200mm（配 S-2B 型测试台）；400mmX500mm（配 S-2C 型测试台）； ? 恒流源电流量程分为 1μA、10μA、100μA、1mA、10mA、100mA 六档，各档电流连续 可调；? 数字电压表 量程及表示形式：000.00～199.99mV；分辨力：10μV；输入阻抗：＞1000MΩ；精度： ±0.1%；显示：四位半红色发光管数字显示；极性、超量程自动显示； ? 四探针探头基本指标 间距：1±0.01mm；针间绝缘电阻: ≥1000MΩ；机械游移率: ≤0.3％；探针：碳化钨或高 速钢材质，探针直径 Ф0.5mm；探针压力：5～16 牛顿(总力)；三、实验内容与要求 1．选择测试类别 在此窗口中对要测量的样品选择相应的测试类别，用户可对样品进行“薄层方块电 阻”和“薄片电阻率”的测量，用户要选某一测试类别只需点击相应测试类别即可选定 2．输入测试基本参数 此窗口输入测试时的环境参数和被测试材料的各种基本属性项的数据值。 对此窗口 的操作会在【统计测试数据】窗口上记录属性项的数据值。【输入测试基本参数】窗口 的各属性项有效性会因选择“薄层方块电阻”和“薄片电阻率”测试类别时不同而变化（某 些属性项会变灰色表示此属性项对于选择的测试类别无效,属性项变灰用户不能操作）。 3．按下【测量】按钮进行测试 调节 RTS-9 型双电测四探针测试仪上的电位器使其测试电流为弹出窗口上计算出 来的电流值（此电流值是根据被测试材料的类别、厚度、量程等要素决定的所以每一次 测量要调节的电流值不一定相同）。 在计算机与主机测量控制采集数据过程中【实时采集两次组合模式下的电压值】窗 口将实时显示样品现正测量点的两次组合模式下电压正反向值、平均值 每按一次【测量】按钮，【统计测试数据】窗口记录的测量结果就会增加一项（即 点数增加）。 4．输出文件到 Excel 输出【统计测试数据】窗口的记录的数据到 Excel 中进行更详细的数据分析和记录 的数据排版。当用户执行【输出文件到 Excel】按钮后会弹出如下图所示的窗口询问是 否以图片形式输出直方图到 Excel 中，用户可以按【是】按钮把【统计测试数据】窗口 中的直方图以图片形式输出到 Excel 中，如果用户不需要此直方图可以按【否】按钮， 直方图就不会输出到 Excel 中，只输出表格的测试数据。 四、思考题按 I14V23 组合推导方式，试推导 I13V24 组合的计算。实验十 金相显微镜的测量方法 传统光学显微镜有多种分类方法：按使用目镜的数目可分为双目和单目显微镜；按 图像是否有立体感可分为立体视觉和非立体视觉显微镜； 按观察对像可分为生物和金相 显微镜等；按光学原理可分为偏光、相衬和微差干涉对比显微镜等；按光源类型可分为 普通光、荧光、紫外光、红外光和激光显微镜等；按接收器类型可分为目视、数码（摄 像）显微镜等。常用的显微镜有双目体视显微镜、金相显微镜、偏光显微镜、荧光显微 镜等。 金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微镜。 这些不透 明物体无法在普通的透射光显微镜中观察， 故金相和普通显微镜的主要差别在于前者以 反射光，而后者以透射光照明。在金相显微镜中照明光束从物镜方向射到被观察物体表 面，被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测 工作。 一、实验目的 （1） 掌握金相显微镜的基本结构、测量原理及使用方法。 （2） 学会操作设备及测量软件，将金相显微镜导出的图象保存、录制。 （3） 对工件影像实现任意角度、直径、弧度等几何形状的标准测量。 二、实验仪器及原理 SK2008H 是在 SK2008 基础上研发的一款新机型，其使用选配件后高达 8000X 电子 倍率，以及 4000X 达 3.8mm 的超大工作距离是两项最为显著的提升，从而满足更为广 泛的工业检测需要。图 1 SK2008H 高倍工业显微镜 表一 标准配置物镜参数表物镜光学倍 电子倍率 率 工作距离 备注Plan4x Plan10x Plan20x Plan40x40 x 100 x 200 x 400 x400 x 1000 x 2000 x 4000 x17.912mm 2.043mm 1.20mm 0.65mm160/160/160/160/-SK2008H 高倍工业显微镜性能特点： 1．具有 8000X 电子倍率（选配 80X 物镜） 2．电子倍率比光学倍率大 10 倍 3．内定位物镜转换器由原来 3 孔升级为 4 孔（标配镜头从 3 只升级为 4 只） 4．采用更为优质的光路设计，衬度更高、景深更大 5．采用日本 JVC 专用摄像机，色彩还原更好，适应快 6．可选配 AV-USB 转换器或电脑内置图像卡 7．可选配 4 X、10 X、20 X、40 X、80 X 超大工作距离物镜表二选配物镜参数表 工作距离 25.4mm A 11mm B 18.48mm A 6 mm B 8.35mm 备注 ∞/0 ∞/0 ∞/0 ∞/0 ∞/0物镜 LPL4 X光学倍率 40 X电子倍率 400 XLPL 10 X100 X1000 XLPL 20 X200 X2000 XLPL 40 X400 X4000 XA 3.7 mm B 3.895mm∞/0 ∞/0 ∞/0LPL 80 X800 X8000 XB 0.848mm三、实验内容与要求 1． 图象调节 在工具栏中点击&视频属性&按纽，出现视频属性窗口；在视频属性设置窗口中，选 择并单击&Video Proc Amp&按纽，进入设置面版；左右拉动各调节选项中的滑块，随着 滑块位移的移动，视频的图象效果也随之变化；点击&应用&或&确认&按钮，确认。 2． 保存图象 将当前视频中的影象保存为静态图片，图象格式有 jpg 和 bmp 两种。点击&保存图 象&，弹出图象保存框，选择保存文件路径，在文件中输入保存名，点击保存按钮。 3． 显示格式 在工具栏中点击&显示格式&按钮，出现显示格式属性窗口，在 Output Size 中，通过 下拉框的选项改变视频的大小，点击“选项框或小三角”，弹出下拉框；上下移动选 项框右边的滚动条，查看可选项；将鼠标移至所需要的选项，单击该选项。确认改 变大小，点击&确定&或&应用&按钮。 4． 测量操作 放置工件到移动平台上。调整工件焦距、灯源等，使视频中的图象清晰显示。点击& 测量操作&按钮。出现选择窗口；单击“任意”选项，点击&确认&按钮，进入测量操作 界面。 坐标：先任意设置一条直线，再设置与之相交的一条直线，已相交点为原点生成坐 标轴，然后以坐标原点为中心测量另一点的距离。 直线：先任意设置一条直线，然后拉出平行线测量直线间的距离。 点到点：指两点间的距离。 中心线：两条直线之间的中心线。 圆：图中在测量圆边上点任意三个点，由此计算出圆的直径。 圆心距：测量多个圆的圆心之间的距离。 圆弧：测量圆的弧长与半径。 测角度：通过两直线夹角得出角度。三角形：由三个点生成三角形，得出三角形的任一角度值。 同心度：可同时测 2 个圆的同心度。 四、思考题实验十一 变温霍尔效应的测量 1879 年，霍尔在研究载流金属导体在磁场中受力时，发现了霍尔效应；但是由于金 属的霍尔效应太弱以致效果不佳，没能引起人们的重视。约 70 年后，随着半导体的出 现和半导体工业的迅猛发展，人们发现半导体材料的霍尔效应显著，才制成了实用的霍 尔元件。 霍尔元件具有结构简单、体形小、寿命长、频率响应宽（霍尔效应建立的时间约为 10-12-10-14s）等特点，在测量技术（如测磁场、测电流等）、自动控制与信息处理等许 多方面有广泛的应用。 通过测量半导体的霍尔系数和电导率还可以判断材料的导电类型， 算出载流子浓度、 载流子迁移率等主要参数，测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系。 一、实验目的 （1） 了解霍尔效应的产生原理及副效应的产生原理和消除方法。 （2） 掌握不同温度下材料的霍尔系数、电导率和霍尔迁移率的方法。 （3） 观测载流子类型，变温下载流子类型转变，测量载流子密度，载流子转变的临 界温度。 二、实验仪器及原理 在一块宽为 w，厚度为 h 的半导体薄片，若在 z 方向加一均匀的磁场 B，在 x 方 向通一稳恒的电流 Is，则在 y 方向的 1-3 面和 2-4 面之间将产生一稳恒的电位差 VH=V1-3-V2-4。这一现象是霍尔首先发现的，故称霍尔效应，电位差 VH 叫霍尔电压。 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转，这 种偏转导致正负电荷的聚集，从而形成电场。电场的取向取决于样品的导电类型。图 1 霍尔效应原理示意图 1． 霍尔效应的产生过程 当半导体薄片的 x 方向通一稳恒电流 Is，z 方向加一均匀磁场 B 后，半导体薄 片中的载流子（空穴或电子）将受到洛伦兹力 FB 的作用，由于 Is 方向和 B 垂直， 故 FB=evB，这个力使电荷向 1-3 面偏移聚积，如果 e 为正，则 1-3 面将带正电， 如果 e 为负，1-3 面将带负电，结果 1-3 面和 2-4 面将产生异号电荷的聚积，在它 们之间建立起 FE=e EH 的作用， 当载流子受到的横向电场力和磁场力达到平衡 （FE= FB）时，霍尔电压趋向稳定。 由 FB=evB （1） （2） （3）FE=e EH 可得 EH=vB式中：e 为载流子电量；v 为载流子速度；EH 为霍尔电场强度。已知半导体薄 片宽为 w，两侧面间霍尔电压为 VH；则EH=VH w（4）由于半导体薄片厚为 h，在 x 方向的截面面积是 S=w.h，再设半导体薄片内单 位体积电荷数为 n，则 电流密度 δ=nev （5） （6）电流强度 Is=δ.S=nev.wh于是 v=Is newh（7）将式（1），（4），（7）带入（3）VH ?VH h IBI B 1 IS B . ? RH S ne h h（8）霍尔系数： RH ?霍尔系数的单位是：米 3/ 库仑，是半导体材料的一个重要参数。在以上公式 的推导过程中，是假定载流子以平均速率 v 运动的，由于半导体薄片中载流子的运动具有统计性，即载流子的速度不是完全相等的，并且由于晶格的散射作用，因而 对于电阻率较高的半导体材料，载流子的浓度计算应引入 2．电阻率 标准样品的电阻率：3? 的修正因子。 8??hwV? (欧姆.米) IL（9）其中： V? 为电导电压（正反向电流后测得的平均值），单位为伏特；h 是样品 厚度，单位为米；w 是样品宽度，单位为米；L 是样品电位引线 N 和 C 之间的距离， 单位为米；而 I 是通过样品的电流，单位为安培。 对范德堡样品：????t2 f ln 2( Rmp.on ? Rmn.op )?t4 If ln 2?VM1? V M 2 ? VN1 ? VN 2?（10）其中：I 为通过样品的电流（假设在测量过程中使用了同样的样品电流） f 为形状因子，对对称的样品引线分布， f ? 1 3． 霍尔系数 RH 与电阻率 ρ 的关系 3．1 由霍尔系数的符号判断样品的导电类型RH ?1 ne（11）当 RH 为负值时，半导体薄片为 n 型半导体（电子型导电）； 当 RH 为正值时，半导体薄片为 p 型半导体（空穴型导电） 3．2 结合电阻率的测量，求载流子的迁移率 μ 因为1?? ne?（12） （13）所以 ? ?RH?4． 霍尔效应与材料性能的关系 对于大部分的材料来说，迁移率和电阻率很低；而不良导体的电阻率虽然很高，但 迁移率仍然很小，半导体迁移率高，电阻率适中，是最佳的选择材料。常采用KH ?1 neh（14）表示霍尔元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下霍尔电 压的大小，其单位为 mV/(mA.T) 测出霍尔电压 VH、工作电流 Is 和磁感应强度 B，即可求得霍尔元件的灵敏度 KH。 5．VH 的测量方法 进行霍尔测量时，由于存在热电势、电阻压降等副效应，故要在不同电流方向 和磁场方面下进行四次霍尔电压测量，得到四个值：VH1、VH2、VH3、VH4。 最后，霍尔电压：VH ?5． 实验仪器简介1 ?VH1 ? VH 2 ? VH 3 ? VH 4 ? 4（15）本仪器系统由可换向永磁磁铁、CME12H 变温恒温器、TC202 控温仪、CVM－200 霍尔效应仪等组成。本仪器用于霍尔效应、载流子类型、载流子类型转变的演示和学生 实验。也可焊脱恒温器内随机样品的引线，换上用户样品，用于科学研究；例如变温磁 阻、超导、电阻温度特性、变温光电、变温磁光（需另购带光学窗口的尾套）等。为本 仪器系统专门研制的 CVM－200 霍尔效应仪(以下简称 CVM-200 表)将恒流源、四位半 微伏表及霍尔测量中复杂的切换继电器和开关组装成一体， 大大减化了实验的连线与操 作。CVM－200 还可单独做四位半数显恒流源和微伏表使用。 本系统选用锑化铟样品，其在低温下是 P 型半导体，而在室温下又是 N 型半导体， 相应的测试磁场并不高，但霍尔电压高，降低了对系统仪表灵敏度、磁铁磁场的要求， 降低了系统售价。图 2 变温霍尔效应测试系统接线示意图 三、实验内容与要求 1． 查看仪器、样品。并对恒温器抽真空。 2． 按线路图接好线，检查确定接线正确后开机，设定恒温器温度。 3． 在室温下测量霍尔参数： 将 19 芯电缆与恒温器连接好，样品开关选择样品 S2，调整样品电流到 10.00mA，开 机预热半小时。测量时，将恒温器放置在磁场正中心，按下开关 VH，测霍尔电压 VH1， 如果电压较小，改到 2V 或 200mV 档；按电流换向开关，测 VH2；将黑色的永磁磁体 转 180°后再测 VH3；电流换向，测 VH4；将恒温器水平左移，使样品处的磁场为 0，按 VM 开关，测 VM1；按电流换向开关，测 VM2。按 VN 开关，测 VN1；按电流换向开关， 测 VN2。 4． 变温测量： 取出恒温器中心杆，注入液氮（依测量点的多少决定加液氮量）。如不想从 80K 低温测起，可先将控温设定在 270K，再加液氮并及时插入中心杆，进行较高温度的控 温实验。 控温时顺时针转动中心杆至最低位置， 再回旋约 180° ～720° 即可通过控温仪设 定控温了。等温度控制稳定后，重复测量过程 3，测得此温度点的各项霍尔参数。改 变设定温度，测另一个温度点的霍尔参数。 表一 样品一变温霍尔系数-温度曲线数据记录表 19. T ( C ) 20. VH21. VM22. VN23. RH24. n ( × 1 0225. ρ26. μ27. KH2) 28. 1 8 0 37. 1 6 0 46. 1 4 0 55. 1 3 0 64. 1 2 0 73. 1 1 0 82. 1 0 0 91. 8 0 92. 93. 94. 95. 96. 97. 98. 99. 83. 84. 85. 86. 87. 88. 89. 90. 74. 75. 76. 77. 78. 79. 80. 81. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36.100. 6 0 109. 4 0 118. 2 0 127. 0 136. 2 0 四、思考题101.102.103.104.105.106.107.108.110.111.112.113.114.115.116.117.119.120.121.122.123.124.125.126.128. 137.129. 138.130. 139.131. 140.132. 141.133. 142.134. 143.135. 144.样品一属于什么类型半导体？描述其现象。实验十二 光发射与接收电路制作一、实验目的 1、 学习并掌握发光二极管发射电路及光电接收电路的工作原理。 2、 掌握发光二极管发射电路及光电接收电路的制作及调试。二、实验仪器 直流稳压电源一台、示波器一台、万用表一台、印刷电路板一块、导线一套。三、实验原理 电路原理图如图 1 示。NE555、 R1 、R2 、VR1 、C1 组成方波发生器。R3 、 R4 、LED（发光二极管） 、三极管 9013 组成 LED 驱动器。R5 、PD（光电接收管）、 C2 组成光电接收器。R8、 R9、 LF353A、C3 组成第一级放大器。R10、 R11 、R12、 R13 、C4、C5 、LF353B 组成带通滤波器并进行第二级放大。方波发生器产生一定频 率的方波信号经驱动器使 LED 发出对应频率的光信号，光电接收器接收 LED 发出的光 信号并将其转变成电信号，第一级放大器将电信号进一步放大，带通滤波器将放大的电 信号进一步滤波以滤除杂波并输出。+12v C7 0.1uF8C6 0.1uFE2 10uFR2 50KNE555RIC1Q 3V CC4R3 R1 5.1K 5.1KR4 300R5 15K C2 0.01uF PDR6810K30.01uF IC2A C3 0.033uFC4 C5 0.01uFR12 15K5 7 6IC2B OUT2TRIGDIS7GNDLEDTHR 6R8 2K1 2R10 2.4K5CVo ltVR1 4.7KLF3534LF353C1 0.01uF 9013 N1R9 500K R7 10K R11 160 R13 10K1E1 47uF图 1、电路原理图四、实验内容与步骤 1、发射电路及接收电路的制作:请在面包板上按图 1 搭好电路，请注意 LED、PD、及电解电容是有极性的， 不要搞反。集成块的管脚也不要接错。 2、电路调试及测量: 请检查线路是否接错， 特别要注意集成块的电源不要接反， 否则会烧坏集成块。 在检查线路时可借助万用表进行。 检查完毕后请接通电源。 调节电位器 VR1 使方波频率为 10KHz 左右， 并在 LED 和 PD 前放一反射屏使光电接收器能接收到光信号。逐一检查第一级放大器及带通 滤波器是否有输出信号，如无，请检查电路连接是否有误。 调节电位器 VR1，使 OUT 端的信号最大，此时的方波频率即为带通滤波器的中心 频率。记下此频率值。测出第一级放大器（IC2A）和带通滤波器（IC2B）的输入和输 出信号 （注意输出信号不能饱和失真） 的大小并计算它们的放大倍数。 调节电位器 VR1， 找出使 OUT 端信号分别下降为最大的 0.707 倍的二个频率点，记下二频率点的值，并 计算带通滤波器的 3dB 带宽(此两频率之差)。以上数据请测三次，并求平均。五、思考题 1、 请说出 LED 和 LD、PD 和 PIN 之间的区别，各有什么优缺点? 2、本电路的主要干扰信号有那些，本电路的那部份主要起抗干扰作用，如何进一 步改进?注意事项 1、 电路连接过程要细心，注意有极性的器件不要搞反，集成块的电源不要接反， 电路要在检查无误的情况下方能通电。 2、 要注意仪器(示波器、电源、万用表)的正确使用。 3、 出现问题时要学会正确判断、逐步解决。 4、实验完成后应请老师检查并签字，然后整理好元件、仪器并关闭电源，并在设备 使用记录有上登记签字，然后才能离开。实验十三 发光二极管驱动电路的制作一、实验目的 1．熟悉发光二极管的工作原理，了解发光二极管的基本结构。 2．通过设计不同驱动方案，学习 LED 工作情况的分析。 二、实验仪器 1．发光二极管。 2．电阻、电流源三、实验原理 LED 的结构及发光原理 LED 是英文 light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致 发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内 部芯线的作用。 发光二极管的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片，在 P 型半导体 和 N 型半导体之间有一个过渡层，称为 PN 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的 少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来， 从而把电能直接 转换为光能。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电 致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。 当它处于正向工作状态时（即两 端加上正向电压），电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不 同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 LED 光源的特点 1. 电压：LED 使用低压电源，供电电压在 6-24V 之间，根据产品不同而异，所以 它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 3. 适用性：很小，每个单元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制备成各种形 状的器件，并且适合于易变的环境 4. 稳定性：10 万小时，光衰为初始的 50% 5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED 灯的响应时间为纳秒级6. 对环境污染：无有害金属汞 7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能 带结构和带隙， 实现红黄绿兰橙多色发光。 如小电流时为红色的 LED， 随着电流的增加， 可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色四、实验内容与步骤 1．LED 的组合方式 1）串联方式 串联接法如图 1。恒压驱动时任一 LED 短路导致余下 LED 容易损坏且驱动电压要高。 当某一 LED 断路时，则无论是恒压驱动还是恒流驱动，串联在一起的 LED 将全部不 亮。解决的办法是在每个 LED 两端并联一个导通电压比 LED 高的齐纳管即可。 2）并联方式 并联接法如图 2。恒流驱动时要求电流较大, 任一 LED 断路导致余下 LED 容易损坏。 解决办法是尽量多并联 LED, 当断开某一 LED 时, 分配在余下 LED 电流不大, 不影响 余下 LED 正常工作。所以功率型 LED 做并联负载时, 不宜选用恒流式驱动器。当某一 LED 短路时, 无论是恒压驱动还是恒流驱动, 则所有的 LED 将不亮。但如果并联 LED 数量较多, 通过短路的 LED 电流较大,足以将短路的 LED 烧成断路而不影响余下 LED 的工作。 3).混联方式 混联接法有两种: 一种如图 3, 串并联的 LED 数量平均分配, 分配在一串 LED 上的电 压相同, 通过同一串每颗 LED 上的电流也基本相同, LED 亮度一致, 同时通过每串 LED 的电流也相近。另一种接法是将 LED 平均分配后, 分组并联, 再将各组串联( 如 图 4, 要求与单组串联或并联相同。2．LED 驱动电路 总的说来, LED 驱动有两种: 恒压驱动和恒流驱动。 由于 LED 使用场合不一样, 提供的 电源大小和性质也不一样。 LED 驱动电路的芯片选择视情况而定, 如果是直流供电场合 应选择 DC/DC 转换器, 交流供电场合选择 AC/DC 转换器, 它们都要求有稳定的输出电 压或电流。另外,大多数手持设备的电池电压都不足以驱动 LED, 所以需要升压转换。 1) 稳定亮度驱动电路 图 5、 图 6 为三个 LED 亮度相同的驱动电路, 通过调节平衡电阻, 使得在并联使用 LED 时, 流过每一 LED 的电流一样。串联时虽然各 LED 中的电流一样, 但输出电压要求较 高。 2) 可变亮度驱动电路 图 7 是用 DAC ( 数模转换器) 驱动 RSET, LED 中的电流是 DAC 输出电压减去 SET 引脚电压的函数, 调节 SET 端电阻的大小, 可以调节 LED 中的电流, 从而调节 LED 的亮度。图 8 是利用控制器的输入输出引脚( I/O) 去控制多个电阻, 可组成一个简易亮 度调节器, 将控制引脚在高电平( ON) 和三态( OFF) 之间切换, 以得到所要求的 SET 引脚电流。图 9 是利用逻辑电平脉宽调制( PWM) 信号驱动 EN ( 使端控制) 引脚, 同 样可以调节 SET 引脚的电流, 从而调节 LED 的亮度。
实验十四 光电开关实验实验（一）透射式光电开关一、实验目的 了解透射式光电开关组成原理及应用。 二、实验仪器 光电实验装置、光电器件实验模块（一）、普通发光二极管、光敏二极管、主机箱 见图 1 光敏器件实验装置图 。 三、实验原理 光电开关可以由一个光发射管和一个接收管组成（光耦、光断续器）。当发射管和 接收管之间无遮挡时，接收管有光电流产生，一旦此光路中有物体阻挡时光电流中断， 利用这种特性可制成光电开关用于工业零件计数、控制等。图1光开关实验连接图四、实验内容与步骤 1、 根据图 1 接线： 将发光二极管两端接入实验模板光敏器件输入两端 （注意极性） ， 将实验模板上的电流表的两个插孔用线短接，再将光敏二极管（接收管）两端引入实验 模块的光敏接收器件两端，再将实验模块上的 VCC 插孔与“⊥”插孔接到主机箱的+5V 电 源的相应插孔上。 2、开启主机箱电源，用手或者其他物体挡住发光二极管与光敏二极管之间的光路， 接收管接收不到光，实验模板上的发光二极管不点亮，当光路中无物体阻隔畅通时，实 验模板上的发光二极管亮，由此形成了开关功能。 *利用这个开关功能，学员们可以自己组建计数系统实验。实验（二）红外线反射式光电开关一、实验目的 了解红外线光耦开关的组成及基本原理。 二、实验仪器 光电器件实验（光开关）模板、主机箱、反射光耦 三、基本原理 红外线开关模块（OW2152 反射式光耦）中有一个红外发射二极管和红外三极管组 成。当物体接近时，发射管发射的红外线被物体反射回来接收管上，被接收管接收。接 上放大和控制电路， 常用做楼道口等处作电灯自动开关。 当有人经过时， 控制楼道灯亮。 通过延时电路控制，经过若干秒后，楼道灯自动熄灭。 四、实验内容与步骤 （1）按照图 2 接线：反射光耦（反射式光电开光）有四个插孔，红、黑色插孔接 实验模板的红外发射二极管的正端和“⊥”端，黄、蓝色插孔接实验模板的红外线接收三 极管集电极和发射极插孔。再将实验模板的 VCC 插孔和“⊥”插孔接到主机箱的+5V 电源 和“⊥”插孔。 （2）打开主机箱电源，用手接近或离开光耦探头，观察实验模板上的开关指示灯 工作现象。 （3）发射式光电器件（光发射、光接受）作开发实验。将光发射管和光接收管分别引入实验模板中的红外发射二极管和红外发射三极管 处（注意极性）。调整发射和接收之间的相对位置，观察光路遮挡与畅通时的现象。图 2 光电器件实验（光开关）实验接线图实验十五 通用集成运算放大器特性测试一、实验目的 掌据放大器特性参数的测量 二、实验仪器 示波器一台、信号发生器一台、直流稳压电源一台、放大器一只 三、实验原理 放大器的特性包括许多内容，有幅频特性、相频特性、噪声特性、输入输岀特性等。 相应的参数有：增益、3dB 带宽、相位裕量、噪声频谱密度、噪声系数、失调电压、动 态范围、压摆率、输入输岀阻抗等。相应的介绍请参看有关资料。 四、实验内容与步骤 1、 按图 1 所示组成放大器电路。+15 V 1 0K R28IC 1 A L F 3 5 3 C2 1 OUT 13 C1 IN 0 .1 R1 1K42R3 1KR4 1 0K -1 5 V图1-+15 VOUT2+8765LF35 31 2 3 4图2OUT1-+-1 5 V2、 放大器增益－频率特性曲线测量： 按装置图图 3 接好实验装置，保持信号发生器正弦波输出辐度不变，改变正弦 波信号的频率，从 500Hz－2KHz，每隔 200Hz 为一测量点，2KHz－300KHz 每隔 40KHz 为一测量点，300KHz－500KHz 每隔 10KHz 为一测量点。放大器增益计算 公式为：K=Vout / Vin(Vout、Vin 为放大器输入、输出正弦波信号的峰峰值)。画出 放大器增益－频率特性曲线，并确定放大器的高通截止频率 f H (注：f H 为低频段增 益下降为最高增益的 0.707 倍时的频率点，即 3dB 点)和低频截止频率 f L (注：f L 为 高频段 3dB 点)，并计算出该放大器VinVou t信 号发 生器电源 图3 放大器 示波器的 3dB 带宽 BW(BW=f L－f H)。 3、 输入失调电压(ΔVoi)的测量： 输入失调电压的定义为：为了获得零值输出电压，在输入端之间应加的电压。 输入失调电压测量装置图如图 4 所示。将图 1 所示电路的 IN 端和电容 C1、C2 短路。用数字万用表测出放大器 OUT 端的直流电压 ΔVo。输入失调电压的计算公 式为： ΔVio=ΔVo/(1+R2 / R1)INOUT放大器 图4数字万用表4、 压摆率(SR)的测量： 压摆率的定义为：放大器输出电压的最大变化速率。其计算公式为：SR=ΔE/ΔT 测量装置图所图 3 所示。 信号发生器输出为 10KHz 的方波。 请用示波器测出 ΔE 和 ΔT 值，根据公式计算 SR 值。 △T△E图 5、对方波或脉冲输入的响应(实线为输入信号，虚线为输出信号)5、放大器最大不失真电压幅度的测量： 测量装置图如图 3 所示。输入信号为 10KHz 的正弦波信号。 逐渐增加输入信号，直至放大器输出刚好不失真为止。测出输出正弦波信号的 正半波刚好不失真的幅值 V(正)和负}