硅材料的热特性分析1.doc

微电子实验专业班级：电子 24 班 姓名：任谦 学号：2120501080 组别：16组 同组者：薛迪、苏原、王嘉琪、王述琪、吴超一、 实验名称硅材料热特性测量分析二、 实验目的以半导体硅单晶材料制成的硅正电阻温度系数热敏电阻器件和 pn 结二极管 为测试对象，学习测量半导体材料热电综合特性的实验方法以及其实验装置，了 解 pn 结正向压降随温度变化的基本关系式。在恒定正向电流条件下，测绘 pn 结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度及被测 pn 结材料的禁带宽度。 学习用 pn 结测温的方法。了解热敏电阻，pn 结二极管的电输运的微观机制及其 与温度的关系。掌握半导体材料的热电特性知识，达到对半导体硅材料的热敏特 性的认识，并了解其工作原理和测试方法。三、实验原理影响半导体材料导电性的首要因素表现在载流子浓度和载流子的迁移率，载 流子浓度和载流子迁移率都随温度变化，所以半导体导电性强烈地随温度变化。 当温度升高时，由于电子散射原因，电子迁移率减小，电阻率随温度升高而增大。 PN 结的正向电压降与其正向电流和温度有关，当正向电流保持不变时，则正向 压降只随温度变化。当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动。这是因为 温度升高时，扩散运动加强，产生同意正向电流所需的压降减小。当温度升高时， 二极管的反向特性曲线向下移动。这是因为随温度升高，本证激发加强，半导体 中少子数目增多，在同意反向电压下，漂移电流增大。A：硅材料载流子迁移率的温度特性 1、 迁移率与温度的关系掺杂的硅半导体主要散射结构是电离杂质散射和声学波散射。电离杂质随温 度升高迁移率增大，随杂质增加迁移率减小；声学波是随温度升高迁移率下降。 当掺杂浓度较低时，可忽略电离杂质影响。当掺杂浓度较高时，低温晶格振动较 弱，晶格振动散射比电离杂质散射弱，所以随温度升高迁移率缓慢增大；温度高 时，晶格振动加强，迁移率随温度升到而降低。高温下，主要是光学散射，温度较低时，主要是杂质离子散射，常温下，主 要是晶格热振动散射。对电离杂质散射，有：声学波散射：总迁移率为：2、电阻率与杂质浓度的关系 电阻率决定于载流子的浓度和迁移率，当半导体中同时需要考虑电子和空穴两种载流子时，N 型半导体，电子浓度远大于空穴浓度时，P 型半导体，电子浓度远小于空穴浓度时，本征半导体，电子浓度等于空穴浓度时，电阻率与杂志浓度的关系：轻掺杂时，室温下杂质全部电离，载流子浓度近 似等于杂质浓度，而迁移率随杂质浓度的变化不大，与载流子浓度的变化相比较， 可以认为迁移率几乎为常数，所以随杂质浓度升高而电阻率下降，若对电阻率浓 度取对数，则电阻率和杂质浓度的关系是线性的。掺杂浓度较高时，由于室温下 杂质不能全部电离，简并半导体中，电离程度下降更多，使载流子浓度小于杂质 浓度；又由于杂质浓度较高时迁移率下降较大。这两个原因使得电阻率随杂质浓 度升高而下降。本征半导体和杂质半导体的电阻率随温度的变化关系有很大不 同，不同的半导体材料在不同的温度下其本征浓度不同，并且可用下式表示：随温度升高，本征载流子浓度增加，本征半导体电阻率随温度升高而单调下 降。对杂质半导体，电阻率随温度的变化又要复杂些。对 N 型半导体，由可得少子浓度，它强烈地依赖于温度的变化。杂质电离程度与温度、掺杂浓度及杂质电离能有关，温度高，电 离能小，有利于杂质电离。通常所说的室温下全部电离，是忽略了杂质浓度的限 制。3、 电阻率随温度的关系 如图所示为一般掺杂半导体材料的电阻率随温度变化的示意图。由图可得，电阻率的变化可以分为三段：AB 段：低温区段温度很低，本证激发可以忽略，载流子主要有杂质杂志电 离提供，它随温度升高而增加；散射主要由杂质电离决定，迁移率也随温度升高 而增大，所以，电阻率随温度升高为增大。BC 段：电离饱和区段，温度继续升高，杂质已全部电离，本征激发还不十 分显著，载流子基本上部随温度变化，晶格振动散射上升为主要矛盾，迁移率随 温度升高而降低，所以，电阻率随温度升高而增大。C 段：本征激发区段，温度继续升高，本征激发很快增加，大量本征载流子 的产生远远超过迁移率的减小对电阻率的影响，这时，本征激发成为矛盾的主要 方面，杂质半导体的电阻率将随温度的升高而急剧下降，表现出同本征半导体相 似的特性。对于非补偿和轻补偿的材料，其电阻率可以反映出它的杂质浓度。对于高度补偿的材料，因为载流子浓度很小，电阻率很高，并无真正说明材料很纯，而是 这种材料杂质很多，迁移率很小，不能用于制造器件。硅材料热特性测量在实验 中是利用半导体电阻率与电子浓度和电子迁移了成反比，由于电子散射原因，电 子迁移率减小，电阻率随着温度升高而正大这个特性来进行分析的。主要公式：B：PN 结正向压降与温度关系理想的 PN 结的正向电流 IF 和正向压降 VF 存在如下关系式：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， 它是一个和 PN 结材料的禁带宽度以及温度有关的系数，可以证明：其中 C 是与结面积、掺杂浓度等有关的常数 r 也是常数；Vg(0)为绝对零度 时 PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。将（2）式带入（1）式，两边取对数 可得其中方程（3）就是 PN 结正向压降对于电流和温度的函数表达式，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。下面来分析一下 Vn1 项所引起的线性误差。设 温度由 T1 变为 T 时，正向电压由 VF1 变为 VF，由（3）式可得：按理想的线性温度响应，Vf 应取如下形式由（3）式可得所以设 T1=300K，T=310K，取 r=3.4，可得实际响应对线性的理论偏差为 设 T1=300K，T=310K，取 r=3.4，由（8）式可得 ，而相应的 VF 的改变量约为 20mV，相比之下误差甚小。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-50150）。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=1.43eV）的 PN 结，其高温端的线性区则宽；而材料杂质电离能小（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，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性项引起的，由对 T 的二阶导数可知， 的变化与成反比，所以 VF-T 的线性度在高温端优于低温端，这是 PN 结传感器的普遍规律。减小 IF，可以改善线 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：1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），分别在不同电流 IF1、IF2 下工作，由此获得两者之差（IF1-IF2）与温 度成线性函数关系，即由于晶体管的参数有一定的离散型，实际值与理论值仍存在差距，但由于单 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，便构成电路温度传感器。2采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知，非线性误差来自项，利用函数发生器，IF 比例于绝对温度的 r 次方，则 VF-T 的线性理论误差为。实验结果与理论值比较一致，其精度可达 0.01。四、实验内容与步骤：A：硅材料载流子迁移率的温度特性 1、 启动实验设备1、开启加热炉电源开关及加热开关；开启电脑；开启温控仪前面板的黄色 开关，此时黄色示数为室温。2、 辨别晶体管管脚，并插入万用表左下角 NPN 管的对应接口。3、 调节电源电压打开直流电压源总开关，旋转电压档旋钮至 35V 档，调节细调旋钮， 使安培表电流示数为 1mA。4、 打开测试软件5、 设置温度序列 根据提示分别输入仪器盒上显示的当前温度和适当的温度间隔（温度最 高不超过 80），确认无误后，点击“确定温度序列”。6、 采集电压值 点击采集电压下方的“确定”按钮，记录当前温度下的电压信息。7、 关闭直流电压源 旋转直流电压源的细调旋钮至最小值，旋转电压档旋钮至 off，关闭直流 电压源总开关。8、 读出此时万用表测得的放大倍数并记录。9、 改变空腔温度 设置电路初温和末温度。单击温控仪控制版面“SET”键，通过调节左右 两个键，设定末温（温度序列中的下一个值，温控仪控制版面上的绿色 读数），两次单击“SET”键，打开温控仪后板面上的绿色按钮，则加热 棒开始加热。10、加热完毕并测量 待温度达到预定值时，会发出警示音，重复步骤 4、7、8、9由于加热 棒预热，温度仍在上升。11、对不同的温度进行测量 每隔一定的温度间隔，重复步骤 7、8、9、10、11，共测试 6 个温度。12、记录数据并作分析B：PN 结正向压降与温度的关系 1实验系统检查与连接2打开电流开关，预热几分钟后，此时测试仪上将显示出室温 TR，记录下 起始温度 TR。3调节 IF=50 A，将 K 拨到 VF，记下 VF（TR）的值，再将 K 置于 V，调V=0。 4测定 V-T 曲线 开启加热电流，逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的 V 和 T（每 改变 10mV 读取一组 V、T 值），升温缓慢，范围在 60以内。5以 T 为横坐标， V 为纵坐标，作 V-T 曲线，其斜率即为被测 PN 结 正 向压降随温度变化的灵敏度 S（mV/）。6估算被测 PN 结材料的禁带宽度。7数据记录8改变工作电流 IF=100 A 重复上述步骤，比较两组结果。五、实验结果与分析：半导体器件热电综合特性图 1 测试电路结构原始数据温度并联三极管三极管二极管1二极管2电阻1电阻2180.5990.6170.6190.6040.9270.725280.5900.6060.6100.5950.9430.733380.5730.5880.5980.5810.9910.772480.5540.5680.5800.5661.0600.769580.5340.5460.5620.5491.1300.786680.5130.5280.5440.5331.2010.802图形如下：电阻R-T图电阻1曲线：Y=5.7143X+-763.7143电阻2曲线：Y=1.5457X+276.0543二极管V-T图二极管1曲线：Y=-0.0015X+1.0703二极管2曲线：Y=-0.0015X+1.0300三极管V-T图曲线：Y=0.000080X+-0.0403三极管曲线： Y=-0.0018X+1.1578六、实验思考题：1、影响半导体材料导电能力的因素有哪几个方面？ 载流子的浓度和载流子的迁移率。2、为什么载流子浓度是决定半导体导电性能的首要因素？对于高度补偿的材料，因为载流子浓度很小，不能用于制造器件。对于非补偿和轻补偿的材料，它的杂质浓度决定半导体导电性能，而杂质浓度基本上就是载流子浓度。3、 半导体中迁移率与温度以及杂质浓度的关系？ 掺杂浓度较低时，迁移率随温度升高迁移率下降。掺杂浓度较高时，低温时迁移率随温度的升高缓慢增大，高温时随温度的升高而降低。4、 半导体的主要散射机构有几种？ 有两种，电离杂质散射和声学波散射。5、 为什么迁移率的温度特性是材料中各种散射的温度效应所致？ 掺杂的硅半导体主要散射结构是电离杂质散射和声学波散射。电离杂质随温度升高迁移率增大，随杂质增加迁移率减小；声学波是随温度升高迁移率下降。同时存在这两种散射机构时，就要考虑它们的共同作用对迁移率的影响。6、 解释不同的散射机构，迁移率的温度关系不同？ 电离杂质散射：随着温度的升高迁移率增大。声学波散射：随温度的升高迁移率下降。7、 二极管具有什么特点，为什么？ 二极管的伏安特性具有非线性，二极管具有单向导电性，二极管的伏安特性与温度有关8、 温度，管材对二极管的特性和参数有何影响？ 当温度升高时，反向击穿电压减小，击穿现象是由于大的反向电流使少数载流