半導(dǎo)體測(cè)試器件與芯片測(cè)試描述

1、半導(dǎo)體器件測(cè)試半導(dǎo)體器件測(cè)試第七章第七章 一、半導(dǎo)體器件簡介一、半導(dǎo)體器件簡介 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件（semiconductor device）是利用半導(dǎo)體材料特殊電特性來完成特定功能的器件。為了與集成電路相區(qū)別，有時(shí)也稱為分立器件。半導(dǎo)體分立器件是集成電路的功能基礎(chǔ)。 半導(dǎo)體器件主要有半導(dǎo)體器件主要有: :二端器件二端器件和和三端器件三端器件 二端器件二端器件: : 基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié) 可用來產(chǎn)生、控制、接收電信號(hào)； pnpn結(jié)二極管、肖特基二極管結(jié)二極管、肖特基二極管 三端器件三端器件: : 各種晶體管 可用來放大、控制電信號(hào)； 雙極晶體管、雙極晶體管、MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體

2、管等 （一）半導(dǎo)體二極管（一）半導(dǎo)體二極管 陽極 陰極引線 引線PNa陽極陰極kP型支持襯底(c) 圖 (d) （c）集成電路中的平面型結(jié)構(gòu); （d）圖形符號(hào) 一般二極管和穩(wěn)壓二極管一般二極管和穩(wěn)壓二極管 ? 一般二極管一般二極管：主要利用二極管的正向?qū)?、反向截止的特性，?shí)現(xiàn)整流、檢波、開關(guān)等作用。 符號(hào)標(biāo)注： ? 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管： 利用PN結(jié)在一定的反向電壓下,可引起雪崩擊穿.這時(shí)二極管的反向電流急速增大，但反向電壓基本不變但反向電壓基本不變. 因此，可以作為穩(wěn)壓電源使因此，可以作為穩(wěn)壓電源使用。反向擊穿電壓數(shù)值在用。反向擊穿電壓數(shù)值在40V以上的是二極管，低于以上的是二極管，低于4

3、0V的穩(wěn)壓管。的穩(wěn)壓管。 符號(hào)符號(hào) 圖一普通二極管，第一個(gè)是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的畫法； 圖二雙向瞬變抑制二極管； 圖三分別是光敏或光電二極管，發(fā)光二極管； 圖四為變?nèi)荻O管； 圖五是肖特基二極管； 圖六是恒流二極管； 圖七是穩(wěn)壓二極管； （二）半導(dǎo)體三極管（二）半導(dǎo)體三極管 雙極型晶體管又稱三極管。電路表示符號(hào)： BJTBJT。根據(jù)功率的不同具有不同的外形結(jié)構(gòu)。 雙極型晶體管的幾種常見外形 （a）小功率管 （b）小功率管 （c）中功率管 （d）大功率管 三極管的基本結(jié)構(gòu)三極管的基本結(jié)構(gòu) 由兩個(gè)摻雜濃度不同且背靠背排列的PN結(jié)組成，根據(jù)排列方式的不同可分為NPN型和PNP型兩種,每個(gè)PN結(jié)所對(duì)應(yīng)區(qū)域分別稱

4、為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。 C 集電極集電極 NPN型型 N P N E 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 C P N P E PNP型型 B 基極基極 B 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電區(qū)：集電區(qū)：面積較大面積較大 C N P N E 集電極集電極 基區(qū)：較薄，摻雜濃基區(qū)：較薄，摻雜濃度低度低 B 基極基極 發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度較高雜濃度較高 發(fā)射極發(fā)射極 C B IC B IB C IC IB E IE E IE NPN型三極管型三極管 PNP型三極管型三極管 制成晶體管的材料可以為制成晶體管的材料可以為 Si或或Ge。 2、三極管的工作模式、三極管的工作模式 輸入(a)輸出輸入(b)輸出輸

5、入(c)輸出 圖1.16三極管電路的三種組態(tài) （a）共發(fā)射極接法;（b）共基極接法;和各極電流（c）共集電極接法 RcRcbcbcVVReUebCCRbUBBUBB (a)圖1.15 (b) （a）NPN型; （b）PNP型 ?工作的基本條件：工作的基本條件： ?EB結(jié)正偏；結(jié)正偏； ?CB結(jié)反偏。結(jié)反偏。 ?VCCVBB VEE CCU（三）（三）MOS晶體管晶體管 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor,簡稱FET）是與雙極性晶體管工作原理不同。 雙極性晶體管雙極性晶體管是利用基極電流控制集電極電流，電流控制型電流控制型的放大元件。帶有正電荷的空穴及負(fù)電荷的電子，具有

6、放大功能的意義，故稱為雙極性。 MOSFET是利用柵極電壓來控制漏極電流的電壓控制型電壓控制型的放大元件。 FET的特征是在低頻帶有極高的輸出阻抗為10111012（MOS FET更高）另外，F(xiàn)ET比雙極性晶體管噪音小，可作為功率放大器使用。 結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)結(jié)構(gòu)和電路符號(hào) S G D MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 兩個(gè)兩個(gè)N區(qū)區(qū) N P N G P型基底型基底 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 D S S G D N P N 預(yù)埋了導(dǎo)預(yù)埋了導(dǎo)電溝道電溝道 D G S N 溝道耗盡型溝道耗盡型 S G D P N P D G S P 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 S G D P N P 予埋了導(dǎo)予埋了導(dǎo)電溝道電溝道 D G S

7、 P 溝道耗盡型溝道耗盡型 MOSFET 的分類和符號(hào) NMOS 增強(qiáng)型 襯底 p 耗盡型 增強(qiáng)型 n PMOS 耗盡型 S/D 載流子 VDS n+ 電子 + p+ 空穴 ? IDS 載流子運(yùn)動(dòng)方向 VT 符號(hào) + D G S D ? S S ? D ? D G S B G S ? D S ? D S ? D + D B G S B B 二、半導(dǎo)體器件的性能測(cè)試二、半導(dǎo)體器件的性能測(cè)試 ? 二極管的測(cè)試 ? 雙極晶體管測(cè)試 ? MOS結(jié)構(gòu)C-V特性測(cè)試 （一）（一） 二極管的性能測(cè)試二極管的性能測(cè)試 1、 二極管的主要測(cè)試參數(shù)二極管的主要測(cè)試參數(shù) 二極管二極管I-V特性特性 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二

8、極管 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 硅管的正向管壓降一般為0.60.8V，鍺管的正向管壓降則一般為0.20.3V。 2、 二極管的二極管的I-V測(cè)試測(cè)試 圖圖7.13 圖圖7.14 測(cè)試電路測(cè)試電路 測(cè)試設(shè)備測(cè)試設(shè)備晶體管參數(shù)測(cè)試儀晶體管參數(shù)測(cè)試儀 （二）雙極型晶體管（二）雙極型晶體管I-V特性測(cè)試特性測(cè)試 1、三極管的主要測(cè)試參數(shù)、三極管的主要測(cè)試參數(shù) ? 共射極增益（電流放大系數(shù)）共射極增益（電流放大系數(shù)） ?IC ? 交流工作時(shí)： ?IB 直流工作時(shí)： ?ICIB ? 穿透電流穿透電流ICEO、ICBO ? 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 ? 集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICM ? 集電極最大

9、允許功率損耗集電極最大允許功率損耗PCM 圖圖7.2 共射雙極型晶體管的放大特性共射雙極型晶體管的放大特性 圖圖 共射雙極型晶體管反向擊穿特性共射雙極型晶體管反向擊穿特性 2、雙極晶體管的性能測(cè)試、雙極晶體管的性能測(cè)試 圖圖7.16 測(cè)試設(shè)備測(cè)試設(shè)備晶體管參數(shù)測(cè)試儀晶體管參數(shù)測(cè)試儀 三、三、結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性測(cè)試特性測(cè)試 MOS C-V特性測(cè)試簡介特性測(cè)試簡介 ? MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)的電容是外加壓的 函數(shù)，MOS電容隨外加電壓變化的曲線稱之為電容隨外加電壓變化的曲線稱之為C-V曲線，簡曲線，簡稱稱CV特性特性。C-V曲線與半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型及其摻雜濃度、SiO2-Si系統(tǒng)中的電荷

10、密度有密切的關(guān)系。 ? 利用實(shí)際測(cè)量實(shí)際測(cè)量到的MOS結(jié)構(gòu)的C-V曲線與理想的理想的MOS結(jié)構(gòu)的 C-V特性曲線比較，可求得氧化硅層厚度氧化硅層厚度、襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度、氧化層中可動(dòng)電荷面密度和固定電荷面密度氧化層中可動(dòng)電荷面密度和固定電荷面密度等參數(shù)。 ?在集成電路特別是MOS電路的生產(chǎn)和開發(fā)研制中，MOS電容的C-V測(cè)試是極為重要的工藝過程監(jiān)控測(cè)試手段，也是器是器件、電路參數(shù)分析和可靠性研究的有效工具件、電路參數(shù)分析和可靠性研究的有效工具。 1、MOS結(jié)構(gòu)的電容模型結(jié)構(gòu)的電容模型 氧化層電容氧化層電容 氧化層氧化層 半導(dǎo)體表面感應(yīng)的空半導(dǎo)體表面感應(yīng)的空間電荷區(qū)對(duì)應(yīng)的電容間電荷區(qū)對(duì)應(yīng)的

11、電容 ? MOS電容是電容是Co和和Cs串聯(lián)而成，總電容串聯(lián)而成，總電容C: 111?CCoxCS?0?r0與氧化層其厚度成反比，而與外加偏壓V 無關(guān)。 CO?AGd0dQSCS?AdVS由空間電荷區(qū)單位面積電量由空間電荷區(qū)單位面積電量Qs隨表面勢(shì)隨表面勢(shì)Vs的的 變化率大小而定變化率大小而定 2、MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性特性 P型襯底的型襯底的MOS a. 負(fù)柵壓下負(fù)柵壓下 絕緣體（氧化物絕緣體（氧化物） 堆積模式,最大電容負(fù)柵壓 Cmax?Cox?oxtoxP型襯底型襯底 b.較小正柵壓下較小正柵壓下 絕緣體（氧化物）絕緣體（氧化物） P型襯底型襯底 引起空間電荷區(qū)引起空間電荷區(qū) 耗盡

12、模式111?CCoxCS正當(dāng)正偏壓較小時(shí)，此時(shí)半導(dǎo)體表面柵空間區(qū)電容Cs對(duì)總電容的貢獻(xiàn)不能壓 忽略，與Cox串聯(lián)的結(jié)果使總電容C變小。柵壓VG越大，耗盡層寬度變寬，Cs越大，總電容越小。 P型襯底的型襯底的MOS c.較大正柵壓下較大正柵壓下 絕緣體（氧化物）絕緣體（氧化物） P型襯底型襯底 引起空間電荷區(qū)引起空間電荷區(qū) 正柵壓 反型模式，閾值反型點(diǎn)時(shí)有最小電容?oxCmin?ox?tox? ?x?dT?s?反型時(shí)，耗盡區(qū)寬度基本不增加，達(dá)到了一個(gè)極大值，總電容C達(dá)到極小值Cmin。 P型襯底的型襯底的MOS C-V特性特性 高頻高頻C-V測(cè)試和低頻測(cè)試和低頻C-V測(cè)試的差別測(cè)試的差別 ? 半

13、導(dǎo)體與二氧化硅界面之間的電荷充放電時(shí)間常數(shù)較長，通常大于10-6s，所以界面態(tài)電容只在低頻或準(zhǔn)靜態(tài)情形下對(duì)所以界面態(tài)電容只在低頻或準(zhǔn)靜態(tài)情形下對(duì)MOSMOS電容有貢獻(xiàn)。電容有貢獻(xiàn)。對(duì)于1MHz的高頻高頻C-VC-V測(cè)量，通常不考慮界面測(cè)量，通常不考慮界面態(tài)電容的影響。態(tài)電容的影響。 N型襯底型襯底MOS的高頻和低頻的高頻和低頻C-V特性特性 1.40E-101.20E-101.00E-10)8.00E-11Fp(C6.00E-114.00E-112.00E-110.00E+00-6-4-2VFB0246V高頻低頻P型和型和N型半導(dǎo)體襯底型半導(dǎo)體襯底MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性差異特性差異 P型

14、襯底MOS： i. 加負(fù)柵壓時(shí)，半導(dǎo)體與氧化層界面出現(xiàn)空穴堆積，對(duì)應(yīng)最大電容 ii. 加正柵壓時(shí)，半導(dǎo)體與氧化層界面出現(xiàn)空穴耗盡，對(duì)應(yīng)最小電容 N型襯底MOS： i. 加正柵壓時(shí)，半導(dǎo)體與氧化層界面出現(xiàn)空穴堆積，對(duì)應(yīng)最大電容 ii. 加負(fù)柵壓時(shí)，半導(dǎo)體與氧化層界面出現(xiàn)空穴耗盡，對(duì)應(yīng)最小電容 3、幾個(gè)概念和計(jì)算公式、幾個(gè)概念和計(jì)算公式 （1）平帶電壓）平帶電壓VFB和平帶電容和平帶電容CFB 表面處不發(fā)生能帶彎曲，此時(shí)QSC=O.這種狀態(tài)稱之為平帶狀態(tài)，總MOS電容稱為平帶電容。在MOS結(jié)構(gòu)C-V測(cè)試中，是一個(gè)很有用的參數(shù)，用它可以定出實(shí)際C-V曲線的平帶點(diǎn)。 （2）平帶電容）平帶電容CFB的計(jì)

15、算公式：的計(jì)算公式： （3）氧化層固定電荷對(duì)平帶電壓）氧化層固定電荷對(duì)平帶電壓VFB的影響的影響 ? 在實(shí)際的MOS結(jié)構(gòu)中，由于SiO2中總是存在電荷（通常是正電荷），且金屬的功函數(shù)和半導(dǎo)體的功函數(shù)通常并不相等，所所以平帶電壓以平帶電壓V VFBFB一般不為零。一般不為零。金屬可以通過交換電荷，這些因素對(duì)MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性產(chǎn)生顯著影響。若不考慮界面態(tài)的影響 氧化層正的固定電荷越多，平帶電壓負(fù)值越大氧化層正的固定電荷越多，平帶電壓負(fù)值越大，整個(gè)C-V曲線向更負(fù)電壓推移。 平帶電壓VFBQ?ms?Coxss（4）氧化層厚度）氧化層厚度tox，由測(cè)試的最大電容，由測(cè)試的最大電容C max確定確定

16、: Cmax?Cox?oxtoxt?oxox?Cox (5)半導(dǎo)體摻雜濃度半導(dǎo)體摻雜濃度: 根據(jù)根據(jù)Cmin/Cox或或CFB/Cox的電容比確定的電容比確定 CminCmax?111?ro?4?O?rSKT?ln?N2rsdox?q?a?2N?n?ai?實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備 所用儀器設(shè)備主要包括三部分: ?測(cè)試臺(tái)(包括樣品臺(tái)、探針、升溫和控溫裝置等) ?高頻（1MHz或更高）hp4275A C-V測(cè)試儀 ?計(jì)算機(jī) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 第七章第七章 復(fù)習(xí)題復(fù)習(xí)題 1 1、二極管的、二極管的I-VI-V特性可以給出哪些電學(xué)參數(shù)？畫圖說明。特性可以給出哪些電學(xué)參數(shù)？畫圖說明。 2 2、畫出、畫出SiSi三極管的共射極工作模式，并簡述如何對(duì)其進(jìn)行三極管的共射極工作模式，并簡述如何對(duì)其進(jìn)行 I-I-