《微电子学实验》讲义.docx
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《微电子学实验》讲义
实验1半导体晶面的光学定向
晶面定向就是要确定单晶体的表面与某指定的基准晶面之间的夹角。
当晶面定向仅与切片机联合使用时，可以确定单晶体某一基准晶面的法线与切片设备走向夹具轴线的夹角。
硅、锗单晶体是金刚石结构，具有各向异性。
生长速度、腐蚀速度、氧化速度、扩散系数和解理特性等都和晶体取向有关。
在半导体器件的科学研究和生产中需要一定晶向的锗、硅等单晶体，因而晶向是一个基本材料参数。
在切片工艺中沿特定晶向或偏离一定角度进行切割，可以有效地提高器件的质量和成品率。
测定晶体取向有解理法，X射线劳埃法，X射线衍射法和光学反射图象法等多种方法。
其中光学反射图象法是目前生产中广泛使用的方法，这个方法较为简便，能直接进行观测，而且在测定低指数晶面时精确度相当好。
实验目的
1．了解光学反射图象法测定单晶晶面的原理。
2．掌握测定硅单晶的（111）、（100）等晶面的定向技术。
实验原理
光学反射图象法定向是根据单晶体解理面的光反射性和晶体结构的对称性来实现晶体的晶面（轴）定向的。
它的工作原理是用激光光点反射仪测定晶体表面的光反射图形的形状和位置，从而确定晶面（轴）的方向。
单晶表面经某些腐蚀液腐蚀后在金相显微镜下会观察到许多腐蚀坑，即所谓金相腐蚀坑（或称晶向的光象小坑）。
这些腐蚀坑是由与晶格主要平面平行的小平面所组成。
它们是一些有特定晶向的晶面族，构成各具特殊对称性的腐蚀坑，这是晶体各向异性的结果。
锗、硅单晶体的{111}晶面是原子密排面，也是解理面（或称劈裂面）。
当用金刚砂研磨晶体时，其研磨表面将被破坏出现许多由低指数晶面围成的小坑。
对于不同晶面，这些小坑具有不同的形状，可以利用这些小坑进行光学定向。
但由于光的散射和吸收较严重，使得反射光象较弱，图象不清晰，分辨串低。
为获得满意的结果，可在晶体研磨后再进行适当腐蚀，使小坑加大。
经过腐蚀处理的晶面，不但形状完整，且具有光泽。
当一束细而强的平行光垂直人射到具有这种小坑的晶体表面时，在光屏上就能得到相应的反射光象。
因为激光束的直径约一毫米左右，而小坑的大小一般为微米量级，因而激光束可投射到众多小坑上。
这个光象是由众多小坑上取向相同的晶面反射的光线向同一方向汇聚，在光屏上而成的光瓣。
例如，当被测晶体表面接近或等于{111}晶面时，经过研磨和腐蚀处理后，在金相显微镜下会看到许多如图1.1（a）所示的三角形坑，它实际上是由三个{111}晶面作为侧面的三角截顶锥形坑，其截顶面也是{111}面。
当一束平行光束垂直人射至被测的{111}晶面上时，这三个侧面和截顶面将反射成如图1.1（a）下面所示的光象。
除这三条主反射线外，有时也可以看到另外三条次反射线，它们与主反射线的图象在光屏上呈60°相位差。
对于{100}晶面，其腐蚀坑形状如图1.1（b）所示，它由四个{111}晶面所围成的四角截项锥形坑，其截顶面是{100}晶面，反射光图为对称的四叶光瓣。
对于{110}晶面，其腐蚀坑形状如图1.1（c）所示，它有与<110>方向的夹角为54°44′的{111}面两个，它们是光象的主要反射面，另有两个{111}晶面族与<110>方向平行或与{110}面垂直。
当一束平行光垂直人射到被测的{110}晶面上时，一般情况形成由主反射面反射的光象，近似为一条直线。
如果样品做得好，入射光又足够强，则
可能得到如图1.1（c）下面所示的光束。
实际上，在锗、硅单晶生长（直拉法或悬浮区熔法）过程中，就显示出它的方向特征。
如果是<111>方向生长的单晶体，沿生长轴向的表面有三条或六条对称分布的棱线，如果是<100>方向生长的单晶体，其表面将有四条或八条对称分布的棱线，可以根据这些棱线的数量及排列来判别某些晶轴的大致方向。
当垂直单晶生长轴向将单晶切断，根据晶棱的位置，同样可以判别其它一些晶向。
例如，在<111>晶向硅单晶的横断面上，任意两相邻晶棱的连线的指向为<110>，与此垂直的方向为<112>；在<100>晶向硅单晶的横断面上，通过相对两个棱的连线方向为<110>，两个相邻棱的连线方向为<100>。
在初步识别了上述这些晶轴方向的基础上就可以将单晶体安装在激光定向仪上进行光反射图象法定向。
在定向操作中，光图对称性的判别可以在光屏上同时使用同心圆和极坐标来衡量，如图1.2所示。
当光图调整到高度对称，也就是每一个光瓣都落在相应的极坐标刻度线上，而且处于同心圆上时，这时光轴就给出了相应的晶向。
如果反射光图中几个光辩不对称（光瓣大小不同，光瓣之间的夹角不符合理论值）时，说明被测晶面与基准面（或晶轴）有偏离。
这时，可以适当调整定向仪各个方位调整机构（如俯仰角，水平角等），直至获得对称分布的反射光图，使得基准晶面垂直于入射光轴。
这时垂直于入射光轴切割晶体就可以得到与基准面符合的晶面。
上面介绍的定向方法称为直接定向法，它有一定的局限性。
对于偏离度较大的待测表面和一些指数较高的晶面，如（331）等晶面较难直接定向，这时可以进行间按定向。
间接定向是在直接定向的基础上运用晶带理论来实现的。
在晶体中，如果若干个晶面族同时平行于某一根晶轴时，则前者总称为一个晶带，后者称为一个晶轴。
例如图1.3中的（001）、（113）、（112）、（111）、（221）、（331）、（110）等晶面都和[110]晶轴平行。
因此上述晶面构成一个以[110]为晶带轴的晶带，它们相互间存在简单的几何关系。
如果将一个晶面绕晶带轴转动某一角度就可以将一个已直接定好方向的低指数晶面的空间位置由同一晶带的另一个晶面所取代。
确定后一个晶面的方法就是用间接定向法。
例如，图1.4中的（111）、（001）、（110）三个晶面同属于以[1
0]为晶带轴的一个晶带，（111）与（110）的夹角为35°26′，（111）与（001）的夹角为54°74′。
所以可以先用直接定向法使（111）晶面垂直于入射光铀，在光屏上得到对称的三叶光图。
然后使晶体绕光轴旋转，使三叶光图中的一个光瓣与极坐标的0°刻度线重合，此时[1
0]晶带轴处于水平位置，即与晶体夹具上的俯仰轴相平行。
转动俯仰铀，前倾35°26′，使（110）晶面垂直于光轴；若使晶体后仰54°74′，即使（001）晶面垂直于光轴。
这时垂直于光轴分别切割出的晶面即为（110）或（001）晶面。
不过对于俯仰角和水平角偏转度较小的设备，不适宜采用这种大角度偏转方法。
实验内容
1．熟悉激光晶轴定向仪的使用方法，并首先对激光晶轴定向仪进行调整。
2．根据单晶表面棱线判别晶体的大致取向。
3．对单晶样品进行研磨、腐蚀处理，在金相显微镜下观察不同单晶<111>、<100>晶向的腐蚀坑形状。
4．测定接近<111>、<100>晶向的硅单晶端面的晶向偏离度。
注意考察光图与腐蚀坑形状之间的关系。
实验步骤
本实验可使用JD-1型或JCD-Ⅱ型激光晶轴定向仪。
下面以JD-1型激光晶轴定向仪为例列出其操作规则。
1．接上220V、50Hz电源。
开启激光管。
调整光屏，使激光束对准光屏上的透光孔射出。
2．在晶体夹具端面贴一画有“+”标记的纸卡，使“+”中心对准激光光点。
调节晶体夹具底座的轴向水平移动旋钮，使晶体夹具朝向激光光轴来回移动。
如果晶体夹具底座导轨与光轴平行，则光点位置始终不变；如果不平行，则光点偏离“+”中心，这时可调节夹具的角度（水平角、仰俯角）或垂直升降，使光点移至“+”中心点。
记下此时的各方位角α1、β1。
3．将待测单晶样品端面用303＃（或280＃）金刚砂在平板玻璃上湿磨平整，再用清水冲洗干净。
然后置于腐蚀液中腐蚀。
方法如表1.1所示。
最后用去离子水冲洗干净，晾干待测。
4．将处理好的样品置于定向仪的样品夹具上，使二者端面平行，调节各方位角旋钮，使反射光图中心点与光屏上的逆光孔重合，此时的方位角定为α2，β2。
则α2-α1，β2-β1即为某基准晶面轴向与晶体表面轴向（法向）的水平偏离度和垂直偏离度（关于偏离度的定量关系，请参看附录）。
根据光图的分布可同时得知测定的晶面。
5．将生长方向为<100>的单晶体用同样方法定向。
6．根据间接定向法在可能范围内大致确定其它一些晶面。
表1.1一些半导体材料的腐蚀方法
单晶材料
腐蚀配方
腐蚀温度（℃）
腐蚀时间（min）
Ge
1HCl（49%）:
H2O2（30%）:
H2O=1:
1:
4（体积比）
25
7
2HF（49%）:
H2O2（30%）:
H2O=1:
1:
4（体积比）
室温
2
3H2O2（30%）
煮沸
1—2
Si
5%NaOH（KOH）水溶液，或
NaOH:
H2O=10:
100
煮沸
7—15
5—10
GaAs（Ga面）
HNO3（60%）:
H2O=1:
1
室温
7
GaAs（As面）
HF（46%）:
HNO3（60%）:
H2O=3:
1:
2
室温
7
数据处理
1．标出反射光图与对应的腐蚀坑形状的关系，光图调整前后的变化。
2．分析反射光图中的光瓣所对应的腐蚀坑部位。
3．记录并标记偏离度。
思考题
1．腐蚀时间过长或腐蚀时间过短时反射光图会出现什么情况？
2．当调整确定出（111）面后，是否可定出（111）或（112）晶面?
3．当调整确定出（100）面后，是否也可以定出{110}晶面?
注意事项
1．激光管的正、负极不能接反，激光管电流应在小于5mA下工作，否则容易损坏激光管或缩短使用寿命。
2．腐蚀好的样品应具有许多光洁明亮的小坑。
如果表面发暗，小坑不明显，可能氧化，须重新处理。
参考资料
[1]孙运慧等，半导体物理实验，高等教育出版社，1985。
[2]中国科学院半导体所，半导体检测与分折，科学出版社，1984。
[3]孙以材，半导体测试技术，冶金工业出版社，1984。
附录
如何定量描述偏离度
所谓偏离度是指晶体表面轴向（法向）与某一基准晶面轴向偏离的度数。
如果基准面是低指数面，且晶体表面与其偏离不大，则可用定向仪测出偏离度。
因为定向仪夹具有两个可调整角度的刻度盘，一个是可水平旋转的刻度盘，一个是可垂直旋转的刻度盘。
这两个刻度盘的度数变化就构成了晶向偏角
的两个分量（假定为α和β），如图1.5所示。
设一束平行光沿oz的方向入射到与其垂直的被测样品kk面上，如果表面是被抛光的镜面，反射线将沿表面法线反射到xy平面上的o点。
如果表面是经金相腐蚀过的，则表面将产生金相的光象小坑，小坑底的晶面就是与基准晶面接近的晶面。
假如基准晶面与晶体表面有一定偏离，这时光象小坑底的反射线不是投射到O点，而是沿BA方向投射到xy平面（光屏）的A点，而
，即为晶向偏离度，
在水平和垂直方向上的偏角分别为
和
，则根据图1.5可导出如下公式：
这里的
、
即为上面所说的
，
。
由上式可知，可以调节水平角和垂直角使α和β为零，则
也等于零。
这时光象中心恰与O点（光孔）重合，也就是说，基准晶面法线与入射光束平行了。
这时光象应具有高度的对称性。
（执笔人：
宋立勋）
实验2晶闸管静态特性参数测量
晶体二极管组成的整流电路，电路形式一旦确定，则当输入的交流电压不变时，输出的直流电压值也是固定的，不能任意控制和改变，因此这种整流电路通常称为不可控整流电路。
然而在实际工作中，有时希望整流器的输出直流电压能够根据需要进行调节，例如，交、直流电动机的调速、随动系统和变频电源等等。
这种情况下需要采用可控整流电路，而晶闸管正是可以实现这一要求的可控整流元件。
晶闸管是一种大功率的半导体器件，它具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、使用维护简单、控制灵敏等优点。
同时它的功率放大倍数很高，可以用微小的信号功率对大功率的电源进行控制和变换。
在脉冲数字电路中也可以作为功率开关使用，其缺点是过载能力和抗干扰能力较差，控制电路比较复杂等。
晶闸管的基本特性主要有静态特性和动态特性之分，静态特性主要包含静态伏安特性、门极伏安特性，动态特性包含开通和关断过程。
晶闸管的静态伏安特性。
第I象限的是正向特性，晶闸管的正向特性有阻断状态和导通状态之分。
当IG=0时，器件两端施加正向电压，为正向阻断状态，此时只有很小的正向漏电流流过晶闸管，其伏安特性是一组随门极电流的增加而不同的曲线簇。
随着门极电流IG幅值的增大，正向转折电压降低，当IG足够大时，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo时，则漏电流急剧增大，器件开通（硬开通）。
晶闸管的正向转折电压很小，导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。
晶闸管正向导通时本身的压降很小，在1V左右，导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。
IH称为维持电流。
第III象限的是反向特性：
晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似于一般二极管的反向特性。
晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出。
阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端，门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。
晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。
为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。
晶闸管的静态特性参数主要有：
晶闸管的断态重复峰值电压UDRM、断态重复峰值电流IDRM、反向重复峰值电压URRM、反向重复峰值电流IRRM、维持电流IH、触发电压UGT、触发电流IGT、通态峰值电流ITM、通态峰值电压UTM。
实验目的
1．了解晶闸管测试条件。
2．了解I-V特性测试原理，掌握测试电路原理。
3．观察晶闸管伏安特性曲线，根据器件原理对特性曲线上出现的现象进行理论分析。
测试原理及电路要求
测试条件：
结温、型式试验室温和额定结温，出厂试验为额定结温Tjm。
门极电路断路（门极电流为零）：
或门极至阴极间的电阻，或门极电源，电压和电源内阻应予规定说明。
电源频率—单次脉冲或附加结温升可忽略的低重复频率（我国目前大都采用50Hz）。
电压波形—为脉宽近似10ms的正弦半波。
VDRM、VRRM分别为VDSM、VRSM的90%。
IDRM，IRRM分别为对应VDRM，VRRM的漏电流。
测试原理：
测量VDSM的原理图如图2-1所示，或采用图2-2电路。
若图中被测元件阴阳极调换，可测量VRSM的参数。
图2-1中：
G-可调交流电源。
R1、R2-保护电阻，R2有要求时应予规定。
D1-整流二极管。
S1、S2-在断态半周期间对被测元件加电压（近似180º电角度）的机械开关或电子开关。
-峰值电压表。
直流电源E，电流表
和限流电阻R3用于检验被测元件是否转折和处于导通。
E和
亦可用仪器（如示波器）代替。
图2-2中：
S1-施加断态电压的开关（晶闸管）。
B1-和交流电源同步的门极触发电路。
B2-门极电阻或门极偏置条件。
R1-保护电阻。
R2-校正电压零位电阻，在校零时接通S2。
R3-电流取样电阻（无感电阻）。
CRO-示波器。
实验操作步骤
按仪器使用说明书逐步操作，说明书见附录。
实验内容：
1．作出两只元件的V-I曲线。
2．测出两只元件的VDRM，IDR，VRRM，IRR。
V-I记录表格型号：
编号：
V
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
I
V
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
I
思考题：
1、试画出晶闸管的等效电路，并分析工作原理。
附录：
BJ2948A测试系统
附录1：
运用电脑软件测试
1、软件的安装
打开随机所带光盘，双击BJ2948Asetup.exe，按照屏幕提示点击“下一步”进行软件安装，产品序列号在SN.txt中，或向厂家索要。
软件运行所需PC的推荐配置：
PentiumIII（或兼容机）800MHz以上内存：
256M以上
硬盘空间：
100M（最小20M）CD或DVD驱动器
标准9针串行接口
程序必须安装在C:
\ProgramFiles\BJ2948A中，不可调整安装文件夹。
安装完成后，桌面上将出现BJ2948A.exe的快捷方式。
在开始菜单的所有程序中也将出现“BJ2948A晶闸管测试系统”文件夹。
2、快速上手—从测试一个BT151开始
在使用本测试系统之前，请务必阅读本章。
更详细的操作请参照第3部分。
下面以测试当前使用比较多的BT151为例，讲述BJ2948A晶闸管测试仪的使用方法。
首先检查仪器电源线、串口线是否连接正确，确认串口线连接在计算机的COM1口。
确认测试盒上没有接器件后，才可以打开仪器电源，等待仪器液晶显示处于主菜单状态。
注意1）、打开电源时的瞬间高压有可能会烧毁器件；
2）、计算机程序默认使用串口COM1控制仪器；
3）、仪器只有处于主菜单状态下，才能接受来自串口的命令。
将待测的BT151有字面朝前插入测试盒左侧的插孔，双击桌面上的BJ2948A.exe，进入程序主界面，如图2-3所示。
图2-3BJ2948A控制程序主界面
单击新增器件按钮，弹出新增器件对话框，如图2-4所示。
图2-4新增器件对话框
在对话框中填入新增器件名称：
BT151，按器件手册填入VGT=1.5V，IGT=15mA，VDD=12V，RL=100Ω，IH=20mA，IT=0mA，VTM=1.75V，ITM=23A，VDRM=500V，IDRM=0.5mA，VRRM=500V，IRRM=0.5mA。
注意测试条件的填写应按器件手册仔细填写，特别是ITM、VDRM、VRRM不要超过一定限制，否则会烧毁器件。
单击确定，当弹出“保存完毕”的对话框，即生成了BT151.scrc晶闸管测试条件文件。
图2-5保存新增器件条件
单击“选择器件”按钮，打开BT151.scrc文件，测试条件数据将在主对话框的左侧显示。
单击参数左侧的复选框选择要测试的参数，我们测试除VTM、ITM外的所有参数，则要点中VGT、IH、VDRM、IDRM左侧的复选框。
然后点击测试按钮，在弹出的是否继续测试对话框中选“是”，一般10秒左右，显示测试结果，如图2-6所示。
图2-6测试结束
从图2-6可以看出，测试结果自动显示在主对话框的右侧区域。
其中包括测试的时间，各参数结果，各参数的合格与否。
点击保存结果，可以将结果保存为Excel格式，点击打开结果可以查看Excel结果。
点击表格显示，在弹出的对话框中，点击打印按钮，可以将结果按标准格式打印。
测试结束将软件关闭，关闭机器电源，从测试盒上拔下器件。
3、掌握测试——深入细节
3.1程序主对话框
图2-7程序主对话框
以图2-7中序号为顺序介绍主程序功能：
1）新增器件
用此按钮生成器件文件，以备以后测试时直接调用。
器件参数应该按器件手册填写，另外，根据系统的限制，各器件参数格式限制如下：
表2.1器件参数的格式限制
参数名
数值范围
小数点后位数
VGT
0~2.5V
2
IGT
0~500.00mA
2
VD
0~17.5V
2
RL
0~65535Ω
0
IH
0~500.00mA
2
IT
0~500.00mA
2
VTM
0~2.5V
2
ITM
0~200.00A
2
VDRM
0~2000V
0
IDRM
0~10.000mA
3
VRRM
0~2000V
0
IRRM
0~10.000mA
3
备注：
各参数的单位是固定的。
表中VD、RL、IT是测试条件，其余为此参数的极限值范围。
默认器件文件保存在C:
\ProgramFiles\BJ2948A\device中，文件名为器件名，文件后缀为*.scrc，含义是scrcondition,即晶闸管测试条件文件。
2）选择器件
默认路径为C:
\ProgramFiles\BJ2948A\device，选取*.scrc文件。
3）测试器件名显示
选择某个器件后，器件名便会在此组合框中出现。
测试过程中，可以通过此组合框对不同的器件交替进行测试。
用组合框选不同的器件，图2-7中序号8的组合框会有不同的显示，测试结果显示会转为显示此器件的测试结果。
4）参数选择复选框
9个参数共分5组进行测试，各组可以分开各自测试，也可以全部测试。
VGT、IGT是一组；IH是一组；VTM、ITM一组；VDRM、IDRM一组；VRRM、IRRM一组。
5）器件参数
器件参数的格式限制见表2.1。
其中VD、RL、IT是测试条件，其余为此参数的极限值范围。
可以在主对话框中，临时改变参数的值进行器件测试而不需保存为新器件。
6）测试按钮
设置好测试参数后，点击测试按钮开始测试，在1.0版本中，会弹出确认数据的对话框，此时按仪器前面板上的2键，比较仪器前面板上参数数据和电脑显示器主对话框中的数据是否一致，如按仪器面板上的取消，返回主界面，按确定开始测试。
注意：
如果测试过程中，强制终止测试（如关闭仪器电源等），此时应该重新启动软件。
如果不关闭软件继续打开机器，可能会发生数据传输错误。
7）器件的测试次数
指主对话框3项中显示的测试器件的测试次数，选择不同的次数，相应次的测试结果便会在主对话框的右侧显示出来。
9、10、11项会发生相应变化。
8）上一次测试结果
点击此按钮，7项减一，9、10、11项显示此器件上一次测试的结果。
9）测试时间
格式为：
年.月.日时:
分:
秒
测试时间在不同运行模式下（运行模式参见本节第15）和3.2节），获取的途径不同。
测试模式下，时间由软件获取计算机系统时间得到；上传结果模式下，时间是存储在仪器Flash存储器里的，是在用仪器脱机测试器件时由仪器系统时间得到的。
10）测得数值
仪器测得的各参数的数值。
测试模式下，是仪器即时测得的数据；上传结果模式下，是存储在仪器Flash存储器中的信息，是仪器在脱机测试器件时存储下来的信息。
11）合格判定
在测试模式下，根据仪器测得参数数值，与主对话框左侧的参数条件区相比较判断此参数是否合格，不合格以红色标示。
与参数选择相对照，合格与否也以5组整体判断。
VGT、IGT是一组；IH是一组；VTM、ITM一组；VDRM、IDRM一组；VRRM、IRRM一组。
例如，VGT、IGT有一个大于左侧参数区数值，则此组数据不合格，其余类同。
在上传结果模式下，合格与否是预先存储在仪器Flash存储器中的信息。
12）表格显示按钮
点击此按钮后，启动软件的表格显示功能，并提供标准格式打印。
表格将各种器件各次的测试结果显示在一个表格中。
上传结果模式下，是将各条目的结果依序号显示出来。
其中“--”表示该参数未测试。
图2-8表格显示对话框
BT151是器件名称，“-”是间隔符，1是此器件的测试次数序号。
13）结果保存
将结果保存为*.xls的Excel格式，其格式如图2-9所示。
其中“--”表示该参数未测试。
BT151是器件名称，“-”是间隔符，1、2是此器件的测试次数序号。
测试模式和上传结果模式下均可以将数据保存。
图2-9Excel格式存储结果
14）结果打开
在相应软件环境中打开*.xls的数据结果。
15）使能上传结果
点击此复选框后，软件将进入上传结果模式，先前仪器Flash存储器中的测试结果将被清空。
注意：
确保点击使能复选框之前，测试数据已保存。
点击此复选框后，如图2-10所示，一些按钮变为灰色，即不可用。
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