微电子专业实验指导

1、实验一各类二极管特性测试的综合实验一、实验目的1 验证晶体二极管的单向导电特性2 学会测量晶体二极管的伏安特性曲线。3 掌握几种常用特种功能二极管的特性和使用方法。二、实验预习要求1 复习晶体二极管结构和伏安特性。2 阅读光电二极管、发光二极管和稳压管的特性和使用范围。3 复习用万用表测量晶体二极管的方法。阅读用图示仪测试晶体二极管及用示波器测量输出电压的方法。三、主要实验设备1 KJ120学习机一台2 数字式万用表2块（Vicor /FLUK） 四、实验原理晶体二极管由一个PN结构成，具有单向导电作用。几种常用二极管的符号如图1.1所示。图1.1 几种常见二极管的符号普通二极管，如IN400

2、1；IN4148；2AP等。稳压管如2DWXX，它工作在反向击穿区。使用时，利用反向电流在击穿区很大范围内变化而电压基本恒定的特性来进行稳压。发光二极管是一种把电能变成光能的半导体器件。发光二极管有各种颜色，例如有发红光的，发黄光的，发绿光的等等，近几年出现的发兰光的二极管是显示技术上的一大突破，它的出现带来的真彩显示技术。发光二极管工作电压较低（1.63V），正向工作电流只需几毫安到几十毫安，故常作线路通断指示和数字显示。若将万用表黑表笔接二极管负极，红表笔接二极管正极，则二极管处于正向偏置，呈现低阻，反之，二极管处于反向偏置，呈现高阻。根据两次测量的阻值，就可判断二极管的极性。（注意：二极

3、管的电阻为动态电阻，变化范围较大，因为，只要稍有变化，变化很大，所以受外围电路变化影响较大。）五、实验步骤1. 二极管的一般测试（1）按实验报告表1.1，要求多用万用表测量二极管（IN4004，IN4148，2AP9，LED）（2）二极管正向电压测量：用万用表二极管档测量2测量2AP9伏安特性（1）测量2AP9正、反向伏安特性的线路见图1.2。按图接好线路图1.2测量2AP9伏安特性的线路。（2）将电位器Rw中心滑臂旋至地端，接通电源。调节Rw阻值使输出电压逐渐增大。按实验报告表1-2要求测量2AP9的反向伏安特性，并将数据填入该表，在直角坐标上绘成曲线。注意到用两块万用表，一块测量二极管二端

4、的电压，一块测量R2两端的电压。其电流值就是R2两端的电压除R2的阻值。（3）按实验报告表1-2要求，测量2AP9反向伏安特性。注意2AP9型管反向电流不要超过400 A。数据填入表中，在直角坐标上绘成反向特性曲线。图1.2 测量二极管伏安特性。反向时可将二极管反接或电源反接即可。3交流电路中二极管（1N4004）作用实验（1）实验线路如图1.3所示。AC6V18V电源为函数信号发生器。（2）调好示波器，用示波器分别观察图1.3线路中R2两端的输出波形。（3）将二极管反接，用示波器观察输出波形。将波形绘入实验报告表1-3中。图1.3 二极管在交流整流电路中的作用4稳压管实验（选做）类似于图1.

5、3。请自行设计一个测量稳压二极管稳压值的线路。注意到电阻的值必须保证其电流不至于大于20毫安。另外，当稳压管接反接时，测出它的稳压值。注：电压表一个接于电阻两端，另一个接于稳压管二端。5发光二极管（LED）实验（选做）（1） 用万用表测量发光二极管正反向电阻，由于发光二极管正向导通时管压降大于1.5故需用万用表的大量程档进行测量，否则正反向均呈开路状态。（2） 发光二极管实验线路类似于如图1.2所示。按图1.2安装元器件。调节Rw使电流分别为0.3mA、3mA、10mA，观察LED亮度，观察LED两端电压。数据填入实验报告表1-5中。注意：发光二极管微亮、亮可由实验者视定。过亮，则超过其允许功

6、耗。此时应增大Rw阻值，降低LED的工作电流，否则易烧毁。六、实验报告原始数据采集要求表1-1二极管正反向电阻管 型正向电阻R档反向电阻R档正向电压实测值（）实测值（）（V）1N40042AP91N4148LEDRx10档（管脚短的一端为“+”）表1-2逐点测量二极管伏安特性测量过程值得注意的是：按图示电路结构连接电路，但元件的参数要有变化，根据对应的正向电压值来调节可变电源、电阻及可调电阻。在测反向特性时，二极管要反接。固定电阻2M100K2K510可变电阻100K100K100K1K正向电压0.10.20.30.40.50.60.7正向电流反向电压2468101214反向电流二极管型号 。

7、 表1-3二极管单向导电（整流）二极管接法输出波形（画波形）导 通 状 态正半周二极管工作状态负半周二极管工作状态正 向反 向表1-4稳压二极管特性（选做）稳压管型号 。稳压值 。输入电压（V）0246810121416电压表V1值（V）电压表V2值（V）电流（mA）表1-5发光二极管（LED）测试（选做）电 流电 压亮 度LED1LED2LED1LED20.3mA3mA10mA七、实验报告主要内容的要求在实验报告中需要综合分析各类二极管的数据, 结合合适的图表讨论其特性, 对各类二极管的原理和特性有深入的了解。同时，与课堂上学到的理论知识相联系，讨论理论与实践的差别，写出你的实际体会。内容要

8、详尽真实，格式要规范。实验二 晶体管的识别、检测与传输特性测试一、实验目的 1、掌握用万用表判断晶体三极管类型与管脚的方法2、掌握测量晶体三极管性能参数的方法。3、掌握晶体三极管应用电路的测试方法，加深对晶体管放大特性及工作状态的理解二、实验仪器万用表，晶体三极管若干；直流稳压电源1台，硅NPN晶体管1只，10 k、100 k、2 k电阻各1只 .三、实验内容原理：（一）用万用表测试晶体管的方法1目测法a、根据型号判别三极管的材料和类型：国产三极管的型号标记为3XXX，其中，3AXX为锗PNP型；3BXX为锗NPN型；3CXX为硅PNP型；3DXX为硅NPN型。b、判定管脚：一般三极管的管脚排

9、列如图，准确判别可查手册。图31 三极管等效电路2. 用万用表判别三极管管脚晶体三极管是由两个PN结组成的有源三端器件，分为NPN和PNP两种类型。等效为:图31 三极管等效电路A 万用表判别法：指针式万用表的黑表笔 (插在万用表的“”插孔) 接的是万用表电源的正极，为高电位端；红表笔为低电位端。1) 三极管基极与类型的判断当我们将万用表置于电阻档，且把红表笔接在 NPN 型晶体管的基极b，而用黑表笔分别去接该管的集电极c和发射极e时，两个二极管都反偏，万用表电阻值均在M级以上，即两次测得的电阻都很大。当我们用同样的方法去测PNP型晶体管时，两次测得的电阻都很小。根据上述原理，可采用如下方法判

10、别三极管的管型（NPN 型或 PNP 型）和基极：用万用表的红表笔接晶体管的某一极，黑表笔分别去接其它两个极时，1. 若两次测得的电阻都很小或者都很大时，可以确定红表笔接的就是管子的基极 b ；2. 若两次测得的电阻均很小，则该管子为PNP 型；若两次测得电阻均很大，则为NPN 型；或者说测得电阻都大时，则黑表笔所接的是PNP型管子的基极，若测得电阻都小时，则黑表笔所接的是NPN型管子的基极。若两次测得的电阻一大一小，应将红表笔换接一个极再测试。直到两次测得的电阻都很大或很小时进行判断。2) 集电极与发射极的判别： 确定了管子的类型和基极b，可用下面方法确定管子的集电极c和发射极e：1. 对

11、NPN 型管子，将万用表置于电阻档，两个表笔分别与除基极外的两个管脚交替相接，并用手捏住黑表笔与基极 (但黑表笔与基极不能相碰) ，观察万用表的阻值变化。再将两个表笔交换，同样用手捏住黑表笔与基极，再次观察万用表显示的阻值。在两次测量中，对应电阻阻值较大的一次，说明这时万用表表笔加给管子的电压使管子发射结处于正偏，集电极处于反偏。故此时黑表笔接的是管子的集电极c，红表笔接的是发射极e。2. 对 PNP 型管子，采用上述方法测试时，应用手捏住基极和万用表的红表笔，同时观察万用表阻值变化情况。对应于指针偏转较大的一次，红表笔接的是集电极 c ，黑表笔接的是发射极e。在上述测量过程中，用手捏住基极和

12、某个表笔，以人体电阻代替100K电阻的作用。从而给管子的三个电极之间加上了一定的电压，使两个结处于一定偏置状态。 （a）NPN管C、E判断示意图 （b）PNP管C、E判断示意图图32 三极管的判断B 用数字万用表判别三极管极性红表笔接内电源正极，黑表笔接内部负极，与指针式相反。1）首先找到基极并判断PNP还是NPN管 万用表打在二极管测量档位，首先分别对三个管脚颠倒测量，其中会有两次出现导通电压值（锗管为0.3左右，硅管为0.7左右），其中这两次的公用极（即重复的那端）为三极管的B（即基极），若B接的是红表笔则是NPN型管，若为黑表笔则是PNP管2）插入三极管挡(hFE)，测量 b 值或判断管

13、脚把万用表打到hFE档上，放置在对应NPN(NPN)的小孔上，B极对上面的B字母。读数，再把它的另二脚反转，再读数。两次测量中数值大的一次为正确插入顺序，三个管脚分别对应表上所标字母，对着字母去认C，E极。如果三极管正常显示一个约20200的数值，此即为该三极管的值。（二）晶体三极管的特性测试原理 实验电路如图所示，当输入电压较小时，三极管的发射结反偏，晶体三极管处于截止状态，集电极电流IC为零，输出电压最高，。为直流电源电压VCC；当输入电压UI增大时，发射结正偏导通，若IC电流较小，使集电结反偏，晶体三极管处于放大状态，则输出电压为总电压VCC与集电极电阻电压降之差，输出电压随输入电压的增

14、大而减小；若IC电流较大，使集电结正偏，则晶体三极管处于饱和状态，输出电压为集电极与发射极之间的饱和压降，比较小。UIUBEU0100k2k10kICIBVCC=10V四：实验步骤及要求1、三极管的管脚与类型判断（1）基极与类型的判断取不同型号的三极管，按照前面所述方法判断其基极与类型。（2）集电极与发射极的判断按照前面所述方法判断判断三极管的集电极与发射极，多次练习，熟练三极管的管脚与类型的判断。2、晶体三极管的特性测试 （1）按如上所示电路图接线，检查无误后接通直流电压VCC。 （2） 调节电位器RP，使输入电压UI由零逐渐增大，如表所示，用万用表测出对应的UBE电压值、U0电压值，并计算

15、出电流IC，计入表中。 晶体管电压传输特性UI/VUO/VUBE/VIC/mA0.04.05.06.07.01.02.03.0五、实验报告要求1、总结实验过程，用自己的理解简述实验的三极管极性的测试原理及方法 2、分析晶体三极管的工作状态，并在坐标纸上作出电压传出特性曲线。实验三不同场效应管特性测试的综合实验一、实验目的1. 了解不同场效应管的特性和使用方法。2. 学会利用万用表判别场效应管的引出脚和质量。二、实验预习要求复习场效应管的构造、分类和基本特性。弄懂场效应管的几种重要参数的意义，掌握使用注意事项。三、实验原理和普通晶体管相比较，场效应管具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗幅射能力

16、强等优点，为制造优异的大规模集成电路提供了有利条件。根据结构不同，场效应管可分为两大类：一类是结型场效应管（简称JFET），如3DJ6、3DJ7；另一类是绝缘栅场效应管（或MOSFET)的符号如图3.1所示。图3.1 场效应管在电路中的符号使用场效应管时要注意与双极型晶体管的不同点。双极型晶体管是电流控制器件，作放大器件用时，基极必须正偏。场效应管是电压控制器件，工作时G，S间必须反向偏置。结型场效应管的夹断电压VP是指ID=0时的VOS值。饱和漏电流IDSS是指当VOS=0时的ID值。四、实验线路本实验的线路如图3.2、3.3所示。图3.2 (A) 测夹断电压 (B)测开启电压五、实验内容1

17、. 用万用表判断结型场效应管的极性和各引出脚功能。2. 用逐点法测绘到N沟道结型场效应管输出特性曲线和饱和漏电流IDSS、夹断电压。3. 结型场效应管放大器实验六、实验步骤1用万用表判别结型场效应管引出脚功能判别。由图3.1中可看出它的漏、源极是制造在同一类型材料上（N型硅或P型硅），漏源之间没有PN结。因此用万用表测量漏源极间电阻时正反向都一样（由于制造工艺关系，实测时略有不同）。栅源间和栅漏间存在一个PN结，所以栅漏或栅源之间的正反向电阻不一样。根据上述原理，可以用万用表欧姆档，首先找出正反向阻值接近的漏源两极，余下的为栅极。由于漏源两极可以调换使用故不再区分。万用表仍置于欧姆档，测量栅源

18、或栅漏之间的正反向电阻。如果红表笔接栅极时阻值小，表明该管为P型反之为N型。如果漏源之间的阻值很大或过小，栅漏或栅源之间的正反向阻值相差不大时，均表示该管质量不佳。2夹断电压VP和开启电压VGS(th)的测量。（1）按图3.2调节VDD为8V、此时VDS也为8V。调节W使VGS更负，当ID下降至50A左右时，（若ID达不到10A时，应增加Vas的电源电压），此时电压表所指VDS值，即为该管VDS为8V时的夹断电压VP。（2）绝缘栅型场效应管开启电压的测量3用逐点测量法绘制结型场效应管和绝缘栅型场效应管的输出特性曲线，测量线路见图3.3。按实验报告表3-1、表3-2所列要求进行测量。图3.3 N

19、沟道结型场效应管输出特性测试电路七、实验报告原始数据采集要求表3-1逐点测量法测结型场效应管输出特性04681012160-0.5-1-1.5-2根据表中数据绘制结型场效应管输出特性曲线表3-2逐点测量法测绝缘栅场效应管输出特性0481216182002468根据表中数据绘绝缘栅场效应管输出特性曲线八、实验报告主要内容的要求在实验报告中需要综合分析本实验的数据，结合合适的图表讨论其特性, 对场效应管的类型判别，电学特性等方面有深入的了解。同时，通过与课堂上学到的理论知识相联系，讨论理论与实践的差别，写出你的实际体会。内容要详尽真实，格式要规范。实验四 硅光电池特性研究【实验目的】1 掌握PN结

20、形成原理及其工作原理；2 了解LED发光二极管的驱动电流和输出功率的关系；3 掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。【实验原理】1. 半导体PN结原理目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理、光电效应理论和光伏电池产生机理。(a) 零偏 (b) 反偏 (c) 正偏图1. 半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区图1是半导体PN结在零偏、正偏、反偏下的耗尽区。当P型和N型半导体材料结合时，即没有外加电压的零偏时（图1a），由于P型材料多数载流子为空穴（带正电荷

21、，Positive charge），而N型材料多数载流子为电子（带负电荷，Negative charge），结果各自的多数载流子向对方扩散，扩散的结果使得电子与空穴在结合区复合，则两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒（对于硅，约为0.7 V），由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行。当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区。耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN结反偏时（图1b），外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强，更加不利于多数载流子的扩散运动，但有利于由于温度效应被激发的少数载流子的漂移运动，导致极小的反向电流。若干反向电压足够大

22、，则该反向电流将达到一个饱和电流IS(<1 A)；当PN结正偏时（图1c），外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，使势垒削弱。当外加电压大于开启电压（对于硅，约为0.5 V），势垒将被消除，多数载流子的扩散运动将持续进行，形成PN方向的正向电流I，这就是PN结的单向导电性。2. 发光二极管LED工作原理当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时，空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙Eg有关。发光波长P可由下式确定： （1）式中的h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙Eg有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其

23、发光波长半宽度一般在2540nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率P与驱动电流IL的关系由下式决定： （2）式中为发光效率，Ep是光子能量，e是电荷常数。输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管LED作为实验用光源，采用的发光二极管驱动和调制电路如图2所示，其中的信号调制采用光强度调制的方法， 图2. 发送光的设定、驱动和调制电路框图 图3. LED的正弦信号调制原理发送光强度调节器用来调节流过LED的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率。设定的静态驱动电流IL调节

24、范围为020 mA，对应面板上的光发送强度驱动显示值VE为02000 mV（VE100IL，对应IL时，小数点在倒数第二位之前，单位为mA，即XX.XX mA）。正弦调制信号(频率f=11000 KHz)经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流迭加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图3所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。3. 硅光电池SPC(Silicon Photocell)的工作原理硅光电池是一个大面积的光电二极管（Photodiode），它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和

25、野外便携式仪器等的能源。当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它的结合面耗尽区存在一内电场。当有光照时，入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子-空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，形成一个正向光伏电压VP，可用作光电池SPC，对外输出电流。当在PN结两端加负载时就有一光生电流IP流过负载，方向是从P型区流入负载，然后流入光电二极管的N型区，与PN结的正向导通电流方向相反。于是，流过PN结两端的电流I可由式（3）确定： （3）其中IS为没有光照射时的反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，IP为产生的光电流。室温300 K下，e/kT=26 mV

26、。从式中可以看到，当光电二极管处于零偏时，V=0 V，流过PN结的电流I= IP；当光电二极管处于反偏时（本实验取5 V），流过PN结的电流IIPS= ( IP+IS), 从而IS = IPS IP。因此，当光电二极管光电池用作光电池时，光电二极管必须处于零偏，而用作一般的光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。光电池SPC处于零偏或反偏状态时，产生的光电流IP与输入光功率Pi有以下关系： （4）式中R为响应率，R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙Eg，以保证处于价带中的束缚电子得到足够的能量

27、被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为T =1.1 m，在短波长处也由于材料有较大紫外吸收系数使R值很小。图4左部是光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号(A级)，再经电流电压转换器(I/V转换器)把光电信号转换成与之成正比的电压信号(mV级)。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的IS。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。4. 光电池的负载特性光电池作为电池使用如图4右部所示。在内电场的作用下，入射光子由于内光电效应把处于价带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压

28、VP，在光电池两端加一个负载RL就会有电流流过，当负载电阻RL很大时，电压较大；当负载电阻RL很小时，电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定光电池的负载特性，进而可以得到光电池的伏安特性。实验五 霍尔效应一、简介霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流

29、子浓度及载流子迁移率等重要参数。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。二、理论知识准备1 1 霍尔效应将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势，如图1所示，这现象称为霍尔效应。称为霍尔电压。(a) (b)图1 霍尔效应原理图实验表明，在磁场不太强时，电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即(1)或 (2)式（1）中称为霍尔系数，式（2）中称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mA·T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子

30、是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。如图1（a）所示，一快长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子电子所受到的洛仑兹力为(3)式中为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力，A、B面之间的电位差为（即霍尔电压），则 (4)将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有即 得 (5)此时B端电位高于A端电位。若N型单晶中的电子

31、浓度为n，则流过样片横截面的电流I=nebdV得 (6)将(6)式代入(5)式得 (7)式中称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小；称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压。因和载流子浓度n成反比，而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。又因和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d0.2mm。上面讨论的是N型半导体样品产生的霍尔效应，B侧面电位比A侧面高；对于P型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴，与N型半导体的情况相反，A侧面积累正电荷，B侧面积累负电荷，如图1（b）所示，此时，A侧面电位比B侧

32、面高。由此可知，根据A、B两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型是P型还是N型。由（7）式可知，如果霍尔元件的灵敏度已知，测得了控制电流I和产生的霍尔电压，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为。高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度B值的仪器。它是选定霍尔元件，即已确定，保持控制电流I不变，则霍尔电压与被测磁感应强度B成正比。如按照霍尔电压的大小，预先在仪器面板上标定出高斯刻度，则使用时由指针示值就可直接读出磁感应强度B值。由（7）式知因此将待测的厚度为d的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制电流I，测出霍尔电压，再用高斯计测出磁感应强度B值，就可测定样品的霍尔系数。又因（或），故可以

33、通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流子浓度n（或p）（n和p分别为电子浓度和空穴浓度）。严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子，即普通物理实验中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半导体材料的霍尔元件在室温下测量，霍尔因子，所以式中，库仑2 2 霍尔效应的副效应上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多，在产生霍尔电压的同时，还伴生有四种副效应，副效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差。为便于说明，画一简图如图2所示

34、。图2 在磁场中的霍尔元件（1）厄廷豪森（Eting hausen）效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度v沿X轴负向运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3的侧面，从而导致3侧面较4侧面集中较多能量高的电子，结果3、4侧面出现温差，产生温差电动势。可以证明。容易理解的正负与I和B的方向有关。（2）能斯特（Nernst）效应引起的电势差。焊点1、2间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故1、2两点间温度可能不同，于是引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热流也会在3、4点间形成电势差。若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与B的方向有关。（3）里纪勒杜克（RighiLeduc）效应产生

35、的电势差。在能斯特效应的热扩散电流的载流子由于速度不同，一样具有厄廷豪森效应，又会在3、4点间形成温差电动势。的正负仅与B的方向有关，而与I的方向无关。（4）不等电势效应引起的电势差。由于制造上困难及材料的不均匀性，3、4两点实际上不可能在同一条等势线上。因此，即使未加磁场，当I流过时，3、4两点也会出现电势差。的正负只与电流方向I有关，而与B的方向无关。3 3 副效应引起的系统误差的消除综上所述，在确定的磁场B和电流I下，实际测出的电压是、和这5种电压的代数和。应根据副效应的性质，改变实验条件，尽量消减它们的影响。上述5种电势差与B和I方向的关系列表如下：表1 电势差与B和I方向的关系VHV

36、EVNVRVOIBIBIBIBIB有关有关有关有关无关有关无关有关有关无关根据以上分析，这些副效应引起的附加电压的正负与电流或磁场的方向有关，我们可以通过改变电流和磁场的方向，来消除、，具体做法如下： 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为由以上四式可得（）通常比小得多，可以略去不计，因此霍尔电压为（）若要消除的影响，可将霍尔片置于恒温槽中，也可将工作电流改为交流电。因为的建立需要一定的时间，而交变电流来回换向，使始终来不及建立。三、仪器简介1

37、 1 HLIV型霍尔效应实验仪仪器结构A霍尔元件霍尔元件是由N型硅单晶经过平面工艺制成的磁电转换元件，元件尺寸为4×2×0.2mm，元件胶合在白色绝缘衬板上，有4条引出导线，其中2条导线为工作电流极（1、2），2条导线为霍尔电压输出极（3、4），同时将这4条引线焊接在玻璃丝布板上，然后引到仪器换向开关上，并以1、2、3、4表示，能方便进行实验。工作电流需用稳定电源供电，适当减小工作电流，以减少热磁效应引起的误差，最大电流15.0mA。霍尔元件的灵敏度已给出，一般在10.0mv /（mA·T）左右，温度变化时，灵敏度也略有变化，这主要是由于不同温度下半导体的载流子浓

38、度不同造成的。B调节装置两螺钉分别调节霍尔元件上下、左右移动，两标尺标明霍尔元件在x、y上的位置。C电磁铁根据电源变压器使用带状铁芯具有体积小和电磁性能高的特点，采用冷轧电工钢带制成，线圈用高强度漆包线多层密绕，层间绝缘，导线绕向即磁化电流的方向已标明在线圈上，可确定磁场方向。线圈的两端引线已连接到仪器的换向开关上，便于实验操作。D换向开关仪器上装有三只换向开关，可以很方便地改变、B 、的方向。原理图及工作电路（如图3所示）图3 霍尔效应的实验电路图.产生磁路部分一个有1500匝线包的小型电磁铁T，直流稳压电源提供励磁电流，通过换向开关来改变励磁电流方向，从而改变磁场B的方向。B供给工作电流部

39、分提供霍尔元件工作电流，通过换向开关4 改变工作电流方向。C测量霍尔电压部分mV表测量3、4点间的电位差，即霍尔电压。注意事项A霍尔片工作电流的最大值为：直流15mA；交流有效值为11mA。B电磁铁励磁电流的最大值为直流1A。C本霍尔效应装置，当从“12”通入时，宜令换向开关拨向上方作为、的正向，当从“34”通入时，宜选换向开关拨向下方作为正向。2 2 QSHB型霍尔效应测试仪（1）仪器组成由励磁恒流源、样品工作恒流源、数字电流表、数字电压表等单元组成。（2）仪器面板图4所示：图4 QS型霍尔效应测试仪面板图A恒流源在面板的右侧，接线柱红、黑分别为该电源的输入和输出。“调节”采用16周多圈电位

40、器，右数显窗显示电流值。B恒流源在面板的中间，接线柱红、黑分别为该电源的输入和输出。“调节”也采用16周多圈电位器，中数显窗显示电流值。C输入在面板左下方，为霍尔电压输入测量端，红、黑分别为正、负极性，左上数显窗显示的测量值。（3）仪器的使用A“”输出、“”输出和“”输入三对接线柱分别与实验台的三对相应接线端相连。注意：千万不能将和接错，否则电流将烧坏霍尔样品。B仪器开机关，先将“调节”，“调节”旋钮逆时针旋到底，使、输出为最小值。C打开电源，预热数分钟后即可进行实验。D“调节”和“调节”两旋钮分别用来控制样品工作电流和励磁电流大小，其电流值随钮顺时针方向转动而增加，调节精度分别为10A和1m

41、A。E关机前，将“调节”，“调节”旋钮逆时针旋到底，此时，中右数显窗显示为“000”，方可切断电源。四、实验内容1. 测量蹄形电磁铁气隙内某一点的磁感应强度 根据实验图，将霍尔效应测试仪的三对接线柱分别与霍尔效应实验仪的三对相应接线端连。 将霍尔片移至气隙大致中央处。 将测试仪“调节”、“调节”旋钮逆时针旋到底，打开电源，预热数分钟。 调节“调节”旋钮，使励磁电流输出为0.400A。 调节测试仪将“调节”旋钮，依次取工作电流为1.00mA、2.00mA、3.00mA、4.00mA、5.00mA、6.00mA、7.00mA、8.00mA，通过调节实验仪各换向开关，在（，）、（，）、（，）、（，）

42、四种测量条件下，分别测出、，计算出值，利用式计算出各B值，求其平均值。数据填表5-9。（霍尔片灵敏度值实验室给出。）表5-9 实验数据记录参考表次数12345678=0.400（A）工作电流（mA）霍尔电（mV）压（+B，+I）（+B，-I）（-B，-I）（-B，+I）=(-+-)/4=B(mT)*2测定霍尔元件的灵敏度及载流子浓度n 接好仪器，将霍尔片移至x=50.0mm，y=12.0mm处。 调节测试仪，使励磁电流输入为0.600A，工作电流输入为6.00mA。 通过调节实验仪各换向开关，在（，）、（，）、（，）、（，）四种测量条件下，分别测出、，求出霍尔电压。 用特斯拄计测出磁感应强度B

43、。 计算灵敏度及载流子浓度n（d0.2mm）。复习思考题试分析温度的变化对实验结果的影响实验六 高频MOS电容电压测量目的：用MOS电容电压法测定氧化层中可动离子，估计半导体杂质浓度。原理：一、理想的MOS结构的CV曲线理想的MOS结构的能带及MOS结构见图（a）、（b）。这里假定：1. 不考虑氧化层中电荷的作用。2. 金属和半导体之间无功函数差。从图一(a)可以看到能带是平的，如果加上外偏压，半导体表面的能带就要弯曲，对于P型半导体，当加上正偏压(铝接正，硅接负)，半导体能带就要向下弯，出现耗尽或反型的情况，金属电极上带正电荷Qm，而半导体表面的势垒空间电荷为Qsc，电子电荷为QN。当加负偏

44、压，能带向上弯，表面出现积累层，金属电极上带负电Qm，而半导体表面空间电荷有空穴电荷QP，如图二所示。 从图二可以看出，当加了外偏压V后，外偏压V的一部分S降在空间电荷区上，另一部分Vi降在氧化层上。即：V=S + Vi (1) 当外加偏压变化时，S和Vi 都要随着变化，金属表面电荷Qm和半导体电荷QS(QS=Qsc十QN十QP)也发生变化，电荷随电压的改变就表现为电容特性。S的变化引起了Qs的变化，用半导体空间电荷区的电容CS 表示。即 CS= （2）氧化层两端的电压降Vi的变化引起QM的变化，用氧化层电容Ci表示。即Ci= (3)氧化层电容相当于一个平行板电容器，单位面积的电容值可由下式计

45、算：Ci=i0/di (4)式中di是氧化层厚度，i是二氧化硅的相对介电常数（i3.9），0是真空电容率（0=8.8510-14法拉/厘米），总的MOS电容等效于CS和Ci的串联。C-1=dV/dQM = dVi/dQM + dS= Ci-1+ CS-1 （5）CS是随外偏压变化而变化的，而Ci是一个固定电容，因而总的电容C也随外偏压变化，对于P型半导体，理想MOS结构的CV曲线见图三。下面分几个区来说明图三的CV曲线1V < 0 当负偏压很大时，积累层中的空穴很多，QSQP,，由于空穴为多子，跟得上高频电压的变化，S的微小变化可以引起SiO2Si边界附近的空穴浓度的很大变化，故 很大，

46、相当于一个大电容，总的C近似等于Ci。当偏压增加时，积累区的空穴减少，Cs不再是一个大电容，它同Ci串联后使总电容减小，偏压负得越小，C也就越小。因此当V< 0时，是积累区，电容C随着V的增大而减小。3. V=0当V=0时，表面势S=0，此时，CS用CS0表示，这时总的MOS电容称为平带电容，用CFB表示 CFB = CiCSO/(Ci + CSO) （6）CFB/Ci称为归一化平带电容CFB/Ci=CSO/(Ci+CSO) （7）在平带电容附近QSO随着 便化为QS=0iS/LDCSO = dQS/dS = 0S/LD （8）其中LD为德拜屏蔽长度LD = (0SKT/Nae2)1/2

47、 （9）3.V>0表面耗尽，空间电荷主要由电离受主杂质提供。QSQSC,随着外偏压增大，空间电荷变化，CS变小。所以C随V的增加继续减小。4.V>>0当外偏压增大后出现了反型层，于是表面处就有了相当数量的电子，他们随着电压的变化是很剧烈的，这些电子电荷屏蔽了表面电场，因而空间电荷区宽度不再随外电压的变化而达到了一个极大值m。但反型层中的电子是P型半导体中的少子，其数量来不及随测试电容的高频讯号变动，这时CS就主要由空间电荷区的电离受主所决定，CS趋向一个不再变化的最小值CSmCSm=0S/m （10）总的电容C也就趋向一个最小值Cmin，Cmin称为高频最小电容。图四表示Cm

48、in/Ci随氧化层厚度di和掺杂浓度NA的变化。我们通过MOS的CV曲线可得到Ci和Cmin，于是可计算出氧化层厚度di，再有di和Cmin分别由图四和图五查得半导体的掺杂浓度和平带电容CFB 。二、实际MOS的CV曲线对于实际MOS结构，在SiO2Si界面存在表面正电荷QSS，这些表面正电荷主要包括固定正电荷和可动电荷（主要是碱金属离子）。而且二氧化硅不是完全绝缘的，当金属和半导体功函数不同时，它们之间会通过二氧化硅层交换电子，考虑了上述情况，实际的MOS结构的CV曲线同理想MOS结构相比发生了一定的移动。先考虑SiSiO2界面的正电荷QSS的影响。这些正电荷将分别在半导体内部和金属表面感应

49、出负电荷QSS和QM，且 =QSS 。这时即使没有外加电场，半导体的能带也是弯的，见图六。如果加上负偏压，V< 0，能带就有从向下弯到向上的趋势，当负偏压加到V=VFB时，能带刚好恢复平直的情况，这时的电压VFB就成为平带电压。见图七。此时，外加偏压都将在二氧化硅层上，因此氧化层电容Ci=QSS/|VFB| （11）|VFB|=QSS/Ci （12）这时，MOS电容的值和理想MOS平带电容CFB是相同的。同理想MOS的CV去想象比较，整个CV曲线沿着 -V 方向发生了平移。其次，由于半导体功函数WS和金属的功函数Wm的不同，氧化层又不是完全绝缘的，金属和半导体之间要通过氧化层交换电子，使

50、半导体表面即使没有表面正电荷也会产生能带弯曲。如果金属Al 的功函数Wm 小于半导体Si的功函数Ws，则金属铝中的电子通过SiO2层而转移到Si 中去，铝电极表面缺少电子带正电，半导体中出现带负电的空间电荷区，能带向下弯曲。这是要恢复平带情形就必须在金属上加上一个负电压Vms。Vms同功函数的关系是-Vms=(Wm-Ws)/e （13） 当=VMS时能带是平直的。因此考虑了接触电势差以后，整个CV曲线眼-V 方向向左移动。所以，同时考虑上述两个因素的综合影响，平带电压由V=0 移到VFB.VFB=Vms-Qss/Ci (14)QSS=（-Vms-VFB）Ci (15)表7-1 金属二氧化硅结构中，Si 相对于Al 和 Au 的接触电势差Si 中杂质浓度（cm-3）VMSAlSiO2 n型SiAlSiO2 p型SiAuSiO2 n型SiAuSiO2 p型Si1014101510161017-0.36-0.30-0.24-0.16-0.82-0.88-0.94-1.00+0.54+0.60+0.66+0.72+0.88+0.02-0.04-0.10三、氧化层中可动离子的决定 从公式VFB = Vms - 可以看到，当已知接触电势差及平带电压可以算出Qss,它包含了氧化层中的固定