半导体器件性能测试实验数据处理示例及思考题参考答案

半导体材料实验课后思考题答案一、单色X射线衍射法晶体定向实验原理：如果用一固定波长的X射线（或称单色X 射线）入射到一块晶体上，要使其能在某晶面上产生衍射，则必须使晶体的位置能连续改变，使欲衍射晶面的放置位置（即θ角）满足布拉格方程。

对不同结构的晶体和不同的晶面，其衍射线所出现的位置不同，我们根据衍射线所发现的位置就能确定出晶体的取向。

根据布拉格方程，当波长为λ的X射线以θ角入射到晶体上，若满足2dsinθ=nλ，X射线就会在晶面间距为d的一族平行晶面上产生衍射。

2、用DQ-3型定向仪应注意哪些？b.松开探测器支架紧固手钮，将探测器支架旋转到与被测样品所对应的角度上，然后将紧固手钮拧紧；d.调节“计数率”旋钮在中间位置，调节“调零”旋钮使μA 率表指针在零附近；f.调节mA 旋钮在适当位置（通常使用在2mA 以下）；1）不进行测量时，请随时关上X光光闸；2）当要暂停操作时，请关高压，但不要经常关低压，断电将会使已确定显示角度丢失；3）当工作结束时，应关闭X光光闸，关断高压，将显示器的角度输入到数字开关，关断电源。

4）mA调节旋钮，用来改变X光管的管电流，可以根据被测样品选择适当的mA值，在满足使用的条件下，应尽量选择低mA,一般在 2mA以下；5）计数率旋钮，在探测器接受 X 射线的情况下，用来调节微安数率率表计数率的大小，应根据需要选择在合适的位置，在满足要求的条件下，应尽量选择小一点，通常指到80格。

计数率调节过大会使稳定性变差，在这种情况下，应通过提高mA来增加 X射线的强度；6）调零旋钮，在只开低压的情况下，用此旋钮调节微安数率率表指针在0-20格附近；7）时间常数旋钮，分为 1，2，3 档，通常被设置在 2 档，在微安数率率表指针摆动较大时，应放在3档的位置上（在这种情况下，因μA率表的跟随特性减慢，一定要缓慢的转动测角仪轮）。

角度显示器的作用：每次开机时都要用标准样片校对一次。

3、X 方向偏角α，其原因如下：假定基准平面与“0”位偏差为δ，待测晶片沿X 方向与表面的偏差为α，则调整θ角使衍射强度出现极大时的θ角读数θ1=θ-δ+α，θ2=θ-δ-α，（θ1-θ2）/2=[(θ-δ+α)-(θ-δ-α)]/2=2α/2=α即取二次测量θ角读数之差的二分之一为偏离角的测量值时。

直拉法生长硅单晶过程包括哪些工序？每个工序的作用是什么？1.拉晶前的准备工作（1）清洁处理：多晶原料、掺杂用的中间合金，石英圳，籽晶等。

目的是除去表面附着物和氧化物，得到淸洁表而。

（2）装料：在高纯环境下装炉。

a.多晶原料b.籽晶: 通常在拉制硅单品时，所用的籽品大都采用柑同材料、完:整性好的硅单品制成。

作用：在熔体中引入一个晶核。

c.±ft璃（3）原料熔化：多晶硅熔化通常是在真空或制气中进行。

真空熔化经常出现的问题是“塔桥”和'‘硅跳”。

2.硅单晶的拉制工艺过程直拉硅单晶过程中有如下几个工序：熔接籽晶、引晶、缩颈、放肩、等径生长和收尾（1）熔接籽晶：包括烤晶和熔接。

烤晶可以除去衣面挥发性杂质，同时可减少热冲击。

熔接使籽晶与熔体完全接好，为晶体的生长做准备。

（2）引晶和缩颈。

引晶为结晶的开始, 收颈的主要作用在于排除接触不良引起的多品和尽量消除籽品内原有位错的延伸。

（3）放肩目的是让晶体逐淅长大到所需直径。

（4）等径生长等径生长的晶体就是生产上的成晶。

（5）收尾使晶体直径逐渐变小，单晶生长结束。

二、悬浮区熔法生长硅单晶过程包括哪些工序？每个工序的作用是什么？a.准备工作①硅棒②籽晶③ 加热线圈④装炉操作⑤真空操作b.开炉① 预热多晶硅在开始预热时的电阻率很高，高频线圈功率耦合不上，所以需进行预热。

② 产生起始熔区形成半圆球形熔区，为熔接做准备。

③熔接熔区与籽品接触，为品体的生长做准备。

④缩颈主要作用在于排除接触不良引起的多品和尽量消除籽品内原有位错的延伸。

⑤放肩使硅棒长到所需要的尺寸。

⑥等径生长。

等径生长的晶体就是生产上的成殆。

三、试比较直拉法和悬浮区熔法生长硅单晶这两种方法各自的优缺点。

直拉法设备和工艺比较简单，容易实现自动控制；生产效率高，易于制备大直径单晶;容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低阻单晶。

但用此法制单晶时，原料易被堆圳污染，硅单晶纯度降低，拉制的硅单晶电阻率大于50欧姆•厘米，质量很难控制。

半导体物理实验复习思考题
一、四探针法测量半导体电阻率实验：
1. 半导体材料包括哪些重要的电学性能，与哪些因素密切相关？
2. 为什么要用四探针进行测量，如果只用两根探针，能否对半导体电阻率准确测量？
3. 什么叫薄层（方块）电阻，它有什么特性？
4. 分析直流四探针法测量半导体材料电阻率的基本原理，并推导电阻率测量公式。

5. 如何选择合适的测量电流？
6. 测量电阻率误差的来源有哪些，如何修正？
二、少数载流子寿命测量实验：
1．什么是多数载流子？什么是少数载流子？
2. 什么是非平衡载流子？什么叫做光注入？
3. 为什么要测量并且一般只测量少数载流子寿命？
4. 少数载流子寿命的物理意义。

5．分析示波器显示曲线的变化规律，如何利用其测量少子寿命？6．影响少子寿命的因素有哪些。

三、X射线衍射分析晶体结构实验：
1.X射线的波长范围是多少，它是如何产生的？
2.简述X射线在近代物理学发展史上的重要地位及意义。

3.X射线在晶体中产生衍射的条件？
4.X射线在晶体中产生的衍射方向和衍射强度分别取决于什么？
5.X射线衍射仪包括哪几个主要部分，各自基本工作原理是什么？
6.实验基本操作步骤如何，为什么实验中要首先打开并保证冷却水
运行？
7.为什么我们在使用X射线衍射仪进行晶体结构分析实验时最好使
用粉末样品？
8.如何根据被测样品的衍射图谱确定其物相？。

第二章1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm ，求零偏压下的总耗尽层宽度、建电势和最大电场强度。

解：)0(,22≤≤-=x x qax dxd p S εψ)0(,22n S D x x qN dxd ≤≤-=εψ 0),(2)(22≤≤--=-=E x x x x qa dx d x p p Sεψ n n SDx x x x qN dx d x ≤≤-=-=E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝1.07µm x 总=x n +x p =1.87µm⎰⎰=--=-npx x bi V dx x E dx x E V 0516.0)()(m V x qa E p S/1082.4)(252max ⨯-=-=ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。

2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp ＝τn ＝10－6s ，器件的面积为1.2×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±0.7V 时的正向和反向电流。

解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/scm D L p p p 3103-⨯==τ，cm D L n n n 31045.2-⨯==τnp n pn p S L n qD L p qD J 0+=I S =A*J S =1.0*10-16A 。

＋0.7V 时，I ＝49.3µA ， －0.7V 时，I ＝1.0*10-16A3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性区存贮的少数载流子总量。

设n 型中性区的长度为1μm ，空穴扩散长度为5μm 。

解：P ＋>>n ，正向注入：0)(20202=---pn n n n L p p dx p p d ，得：)sinh()sinh()1(/00pnn pn kTqV n n n L x W L x W e p p p ---=- ⎰⨯=-=nnW x n n A dx p p qA Q 20010289.5)(4一个硅p +-n 单边突变结，N D ＝1015cm －3，求击穿时的耗尽层宽度，若n 区减小到5μm ，计算此时击穿电压。

第二章1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm ，求零偏压下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场强度。

解：)0(,22≤≤-=x x qax dxd p S εψ)0(,22n SD x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22≤≤--=-=E x x x x qa dx d x p p Sεψ n n SDx x x x qN dx d x ≤≤-=-=E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝1.07µm x 总=x n +x p =1.87µm⎰⎰=--=-npx x bi V dx x E dx x E V 0516.0)()(m V x qa E p S/1082.4)(252max ⨯-=-=ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。

2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp ＝τn ＝10－6s ，器件的面积为1.2×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±0.7V 时的正向和反向电流。

解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/scm D L p p p 3103-⨯==τ，cm D L n n n 31045.2-⨯==τnp n pn p S L n qD L p qD J 0+=I S =A*J S =1.0*10-16A 。

＋0.7V 时，I ＝49.3µA ， －0.7V 时，I ＝1.0*10-16A3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性区内存贮的少数载流子总量。

设n 型中性区的长度为1μm ，空穴扩散长度为5μm 。

第二章1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为μm ，求零偏压下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场强度。

解：)0(,22≤≤-=x x qax dxd p S εψ)0(,22n SD x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22≤≤--=-=E x x x x qa dx d x p p Sεψ n n SDx x x x qN dx d x ≤≤-=-=E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝μm x 总=x n +x p =μm⎰⎰=--=-npx x bi V dx x E dx x E V 0516.0)()(m V x qa E p S/1082.4)(252max ⨯-=-=ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。

2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp ＝τn ＝10－6s ，器件的面积为×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±时的正向和反向电流。

解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/scm D L p p p 3103-⨯==τ，cm D L n n n 31045.2-⨯==τnp n pn p S L n qD L p qD J 0+=I S =A*J S =*10-16A 。

＋时，I ＝μA ， －时，I ＝*10-16A3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性区内存贮的少数载流子总量。

设n 型中性区的长度为1μm ，空穴扩散长度为5μm 。

解：P ＋>>n ，正向注入：0)(2202=---pn n n n L p p dx p p d ，得： )sinh()sinh()1(/00pnn pn kTqV n n n L x W L xW e p p p ---=- ⎰⨯=-=nnW x n n A dx p p qA Q 20010289.5)(4一个硅p +-n 单边突变结，N D ＝1015cm －3，求击穿时的耗尽层宽度，若n 区减小到5μm ，计算此时击穿电压。

半导体器件性能测试实验数据处理示例及思考题参考答案1、为保证实验数据的真实性，在本文中特将实验测得数据及初步计算所得数据留空，各表格中的测得数据用蓝色标注，计算数据用红色标注；2、本文中所有的关系曲线图均使用Origin软件绘制，部分数据的处理亦使用该软件，推荐使用Origin软件处理数据；软件下载3、实验讲义中部分重要公式及物理量单位存在错误，本文中已做修正并标注；4、各项计算所使用的常量值及注意事项在本文中已列出；5、数据处理过程及思考题答案仅供参考。

6、数据处理一键计算见“数据处理V1.1 .xlsx”7、修订日期：2015年12月11日星期五2015年12月目录实验一表面势垒二极管的伏安特性 (2)实验二集成“与非”门电路的直流特性测试 (5)实验三晶体管动态参数特性检测实验 (7)实验四晶体管（BJT）直流参数的测量 (8)实验五P-N结势垒电容的测量 (10)实验六光电器件性能测试与应用 (13)实验七MOS管静态参数的测试 (14)实验八晶体管特征频率的测量 (18)实验一 表面势垒二极管的伏安特性数据处理根据上表中与的关系使用Origin 软件绘制拟合曲线①如下：图1-1ln I V -曲线曲线拟合结果为ln ____I V =+1、 求解n 因子上式中斜率__B =，可用公式求解n 因子：1q n kT B= 2、 求解势垒高度n B Φ20ln n kT AST B q I ⎛⎫Φ= ⎪⎝⎭②① 实验要求使用半对数坐标进行绘制，此处将纵坐标转换为自然对数形式A 是理查德常数，228.7/A A cm K =①；S 是势垒二极管的结面积，32510S cm -=⨯； T 为测试温度，此处建议使用室温，即298T K =；68.6310/k eV K -=⨯②；191.610q C -=⨯；0I 可由ln I V -曲线的纵截距读出。

① 实验讲义中对应单位有误1、金属和半导体接触时，为什么在半导体表面会产生空间电荷层？金属和半导体的功函数W不同，因此费米能级具有一定的差值，电子会从费米能级高的一侧流向低的一侧，电离的施主和受主之间形成空间电荷层。

第4章 半导体器件习题解答习 题4.1 计算题4.1图所示电路的电位U Y 。

（1）U A =U B =0时。

（2）U A =E ，U B =0时。

（3）U A =U B =E 时。

解：此题所考查的是电位的概念以及二极管应用的有关知识。

假设图中二极管为理想二极管，可以看出A 、B 两点电位的相对高低影响了D A 和D B 两个二极管的导通与关断。

当A 、B 两点的电位同时为0时，D A 和D B 两个二极管的阳极和阴极（U Y ）两端电位同时为0，因此均不能导通；当U A ＝E ，U B ＝0时，D A 的阳极电位为E ，阴极电位为0（接地），根据二极管的导通条件，D A 此时承受正压而导通，一旦D A 导通，则U Y ＞0，从而使D B 承受反压（U B ＝0）而截止；当U A ＝U B ＝E 时，即D A 和D B 的阳极电位为大小相同的高电位，所以两管同时导通，两个1kΩ的电阻为并联关系。

本题解答如下：（1）由于U A ＝U B ＝0，D A 和D B 均处于截止状态，所以U Y ＝0； （2）由U A ＝E ，U B ＝0可知，D A 导通，D B 截止，所以U Y ＝Ω+Ω⋅Ωk k E k 919＝109E ；（3）由于U A ＝U B ＝E ，D A 和D B 同时导通，因此U Y ＝Ω+Ω⨯⋅Ω⨯k k Ek 19292＝1918E 。

4.2 在题4.2图所示电路中，设VD 为理想二极管，已知输入电压u I 的波形。

试画出输出电压u O 的波形图。

题4.1图题4.2图解：此题的考查点为二极管的伏安特性以及电路的基本知识。

首先从（b ）图可以看出，当二极管D 导通时，电阻为零，所以u o ＝u i ；当D 截止时，电第4章 半导体器件习题解答阻为无穷大，相当于断路，因此u o ＝5V ，即是说，只要判断出D 导通与否，就可以判断出输出电压的波形。

要判断D 是否导通，可以以接地为参考点（电位零点），判断出D 两端电位的高低，从而得知是否导通。

半导体器件的测试实验实验组号__ __学号姓名实验日期成绩____ ___指导教师签名一、实验目的学会用万用表测试二极管、三极管的性能好坏，管脚排列。

二、实验器材1.万用表1只（指针式）。

2.二极管、三极管若干。

三、注意事项：1.选择合适的量程，使万用表指针落在万用表刻度盘中间的位置为佳。

2.测试电阻前应先调零。

3.测量时不要同时用手接触元件的两个引脚。

4.测量完毕时应将万用表的转换开关转向off位置或交流最高电压档。

5.不能用万用表测试工作中的元件电阻！四、实验内容1.半导体二极管的测试◆半导体二极管的测试要点：用指针式万用表测二极管的正反向电阻，当测得阻值较小的情况下，黑笔所接的极是二极管的正极。

（1）整流二极管的测试将万用表置于R⨯100Ω或R⨯1kΩ电阻档并调零，测量二极管的正、反向电阻，判断其极性和性能好坏，把测量结果填入表1中。

（2将万用表置于R⨯10kΩ电阻档并调零，测量二极管的正、反向电阻，判断其极性和性能好坏，把测量结果填入表2中。

2.半导体三极管的测试◆半导体三极管的测试要点：将万用表置于R⨯100Ω或R⨯1kΩ电阻档并调零。

①首先判基极和管型•黑笔固定某一极，红笔分别测另两极，当测得两个阻值均较小时，黑笔所接的极是基极，所测的晶体管是NPN管。

•红笔固定某一极，黑笔分别测另两极，当测得两个阻值均较小时，红笔所接的极是基极，所测的晶体管是PNP管。

②其次判集电极和发射极•对于NPN管：用手捏住基极和假设的集电极（两极不能短接），黑笔接假设的集电极，红笔接假设的发射极，观察所测电阻的大小。

然后将刚才假设的集电极和发射极对调位置，再重测一次，当测得电阻值较小时，黑笔所接的是集电极，另一电级是发射极•对于PNP管：用手捏住基极和假设的集电极（两极不能短接），红笔接假设的集电极，黑笔接假设的发射极，观察所测电阻的大小。

然后将刚才假设的集电极和发射极对调位置，再重测一次，当测得电阻值较小时，红笔所接的是集电极，另一电级是发射极。

第二章1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm ，求零偏压下的总耗尽层宽度、建电势和最大电场强度。

解：)0(,22≤≤-=x x qax dxd p S εψ)0(,22n SD x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22≤≤--=-=E x x x x qa dx d x p p Sεψ n n SDx x x x qN dx d x ≤≤-=-=E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝1.07µm x 总=x n +x p =1.87µm⎰⎰=--=-npx x bi V dx x E dx x E V 0516.0)()(m V x qa E p S/1082.4)(252max ⨯-=-=ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。

2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp ＝τn ＝10－6s ，器件的面积为1.2×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±0.7V 时的正向和反向电流。

解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/scm D L p p p 3103-⨯==τ，cm D L n n n 31045.2-⨯==τnp n pn p S L n qD L p qD J 0+=I S =A*J S =1.0*10-16A 。

＋0.7V 时，I ＝49.3µA ， －0.7V 时，I ＝1.0*10-16A3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性区存贮的少数载流子总量。

设n 型中性区的长度为1μm ，空穴扩散长度为5μm 。

解：P ＋>>n ，正向注入：0)(20202=---pn n n n L p p dx p p d ，得：)sinh()sinh()1(/00pnn pn kTqV n n n L x W L xW e p p p ---=- ⎰⨯=-=nnW x n n A dx p p qA Q 20010289.5)(4一个硅p +-n 单边突变结，N D ＝1015cm －3，求击穿时的耗尽层宽度，若n 区减小到5μm ，计算此时击穿电压。

半导体器件特性的测量与分析实验指导资料（指导老师:官盛果时间：2009.10.30）1.1 半导体基础知识物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。

物质的导电特性取决于原子结构。

导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。

因此在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。

高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。

而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。

1.1.1 本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。

常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。

为便于讨论, 采用图1-1所示的简化原子结构模型。

把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。

即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到相邻原子核的吸引。

于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。

故晶体中, 每个原子都和周围的４个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图1-2所示。

共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然在共价键中留下空位, 称为空穴。

空穴带正电, 如图 1-3所示。

由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电图 1 – 1硅和锗简化原子结构模型的空穴。

本征半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。

我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度, 即n i=pi, 下标i表示为本征半导体。