半导体测试器件与芯片测试.ppt

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1、第七章 半导体器件测试,一、半导体器件简介,半导体器件（semiconductor device）是利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的器件。为了与集成电路相区别，有时也称为分立器件。半导体分立器件是集成电路的功能基础。半导体器件主要有:二端器件和三端器件 二端器件:基本结构是一个PN结 可用来产生、控制、接收电信号；pn结二极管、肖特基二极管 三端器件:各种晶体管 可用来放大、控制电信号；双极晶体管、MOS场效应晶体管等,（一）半导体二极管,图 半导体二极管的结构及符号（c）集成电路中的平面型结构;（d）图形符号,一般二极管和稳压二极管,一般二极管：主要利用二极管的正向导通、反向截止的特

2、性，实现整流、检波、开关等作用。符号标注：,稳压二极管：利用PN结在一定的反向电压下,可引起雪崩击穿.这时二极管的反向电流急速增大，但反向电压基本不变.因此，可以作为稳压电源使用。反向击穿电压数值在40V以上的是二极管，低于40V的稳压管。,符号,图一普通二极管，第一个是国内标准的画法；图二双向瞬变抑制二极管；图三分别是光敏或光电二极管，发光二极管；图四为变容二极管；图五是肖特基二极管；图六是恒流二极管；图七是稳压二极管；,双极型晶体管的几种常见外形（a）小功率管（b）小功率管（c）中功率管（d）大功率管,双极型晶体管又称三极管。电路表示符号：BJT。根据功率的不同具有不同的外形结构。,（二）

3、半导体三极管,三极管的基本结构,由两个掺杂浓度不同且背靠背排列的PN结组成，根据排列方式的不同可分为NPN型和PNP型两种,每个PN结所对应区域分别称为发射区、基区和集电区。,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,制成晶体管的材料可以为Si或Ge。,图1.16三极管电路的三种组态（a）共发射极接法;（b）共基极接法;和各极电流（c）共集电极接法,2、三极管的工作模式,图1.15三极管放大需要的电源接法（a）NPN型;（b）PNP型,工作的基本条件：EB结正偏；CB结反偏。VCCVBB VEE,场效应晶体管（Field Effect Transistor,简称FET）是

4、与双极性晶体管工作原理不同。双极性晶体管是利用基极电流控制集电极电流，电流控制型的放大元件。带有正电荷的空穴及负电荷的电子，具有放大功能的意义，故称为双极性。MOSFET是利用栅极电压来控制漏极电流的电压控制型的放大元件。FET的特征是在低频带有极高的输出阻抗为10111012（MOS FET更高）另外，FET比双极性晶体管噪音小，可作为功率放大器使用。,（三）MOS晶体管,结构和电路符号,P型基底,两个N区,MOS结构,N沟道增强型,N 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,P 沟道增强型,P 沟道耗尽型,予埋了导电沟道,MOSFET 的分类和符号,二、半导体器件的性能测试 二极管的测试 双极晶体管测

5、试 MOS结构C-V特性测试,1、二极管的主要测试参数,（一）二极管的性能测试,二极管I-V特性,稳压二极管,发光二极管,硅管的正向管压降一般为0.60.8V，锗管的正向管压降则一般为0.20.3V。,图7.13,图7.14,2、二极管的I-V测试,测试电路,测试设备晶体管参数测试仪,1、三极管的主要测试参数,共射极增益（电流放大系数）交流工作时：直流工作时：穿透电流ICEO、ICBO反向击穿电压集电极最大允许电流ICM集电极最大允许功率损耗PCM,（二）双极型晶体管I-V特性测试,图7.2 共射双极型晶体管的放大特性,图 共射双极型晶体管反向击穿特性,2、双极晶体管的性能测试,图7.16,测

6、试设备晶体管参数测试仪,三、MOS结构的C-V特性测试,C-V特性测试简介 MOS（金属氧化物半导体）结构的电容是外加压的函数，MOS电容随外加电压变化的曲线称之为C-V曲线，简称CV特性。C-V曲线与半导体的导电类型及其掺杂浓度、SiO2-Si系统中的电荷密度有密切的关系。利用实际测量到的MOS结构的C-V曲线与理想的MOS结构的 C-V特性曲线比较，可求得氧化硅层厚度、衬底掺杂浓度、氧化层中可动电荷面密度和固定电荷面密度等参数。在集成电路特别是MOS电路的生产和开发研制中，MOS电容的C-V测试是极为重要的工艺过程监控测试手段，也是器件、电路参数分析和可靠性研究的有效工具。,1、MOS结构

7、的电容模型,氧化层电容,氧化层,半导体表面感应的空间电荷区对应的电容,MOS电容是Co和Cs串联而成，总电容C:,与氧化层其厚度成反比，而与外加偏压VG无关。,由空间电荷区单位面积电量Qs随表面势Vs的 变化率大小而定,2、MOS结构的C-V特性,P型衬底的MOS,b.较小正栅压下,负栅压,正栅压,a.负栅压下,当正偏压较小时，此时半导体表面空间区电容Cs对总电容的贡献不能忽略，与Cox串联的结果使总电容C变小。栅压VG越大，耗尽层宽度变宽，Cs越大，总电容越小。,P型衬底的MOS,c.较大正栅压下,正栅压,反型时，耗尽区宽度基本不增加，达到了一个极大值，总电容C达到极小值Cmin。,P型衬底

8、的MOS C-V特性,半导体与二氧化硅界面之间的电荷充放电时间常数较长，通常大于10-6s，所以界面态电容只在低频或准静态情形下对MOS电容有贡献。对于1MHz的高频C-V测量，通常不考虑界面态电容的影响。,高频C-V测试和低频C-V测试的差别,N型衬底MOS的高频和低频C-V特性,P型衬底MOS：i.加负栅压时，半导体与氧化层界面出现空穴堆积，对应最大电容 ii.加正栅压时，半导体与氧化层界面出现空穴耗尽，对应最小电容,N型衬底MOS：i.加正栅压时，半导体与氧化层界面出现空穴堆积，对应最大电容 ii.加负栅压时，半导体与氧化层界面出现空穴耗尽，对应最小电容,P型和N型半导体衬底MOS结构的

9、C-V特性差异,3、几个概念和计算公式,（1）平带电压VFB和平带电容CFB,表面处不发生能带弯曲，此时QSC=O.这种状态称之为平带状态，总MOS电容称为平带电容。在MOS结构C-V测试中，是一个很有用的参数，用它可以定出实际C-V曲线的平带点。,（2）平带电容CFB的计算公式：,在实际的MOS结构中，由于SiO2中总是存在电荷（通常是正电荷），且金属的功函数和半导体的功函数通常并不相等，所以平带电压VFB一般不为零。金属可以通过交换电荷，这些因素对MOS结构的C-V特性产生显著影响。若不考虑界面态的影响,（3）氧化层固定电荷对平带电压VFB的影响,氧化层正的固定电荷越多，平带电压负值越大，

10、整个C-V曲线向更负电压推移。,（4）氧化层厚度tox，由测试的最大电容C max确定:,(5)半导体掺杂浓度:根据Cmin/Cox或CFB/Cox的电容比确定,实验设备 所用仪器设备主要包括三部分:测试台(包括样品台、探针、升温和控温装置等)高频（1MHz或更高）hp4275A C-V测试仪计算机,实验内容,第七章 复习题,1、二极管的I-V特性可以给出哪些电学参数？画图说明。,2、画出Si三极管的共射极工作模式，并简述如何对其进行I-V特性测量，求取放大倍率。3、理解MOS结构的电容模型以及总电容随栅极电压变化的趋势原理。画图比较p型Si衬底MOS和n型Si衬底MOS在高频下C-V特性的差异。4、利用MOS的C-V特性可以计算或评估MOS结构的哪些参数？理解其求取过程和方法。,