微電子學(xué)專業(yè)實驗介紹第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六《微電子學(xué)專業(yè)實驗》是按照我院新辦專業(yè)“微電子學(xué)專業(yè)”的培養(yǎng)方案及教學(xué)計劃要求，設(shè)置的一門重要專業(yè)實驗課程。該課程是微電子學(xué)專業(yè)本科學(xué)生必修的一門專業(yè)實驗課，是理論性和實踐性都非常強的一門課程。微電子學(xué)實驗涉及了集成電路設(shè)計、半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件、工藝及材料等多個專業(yè)方面。

第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗要求和目的：本課程要求學(xué)生先修完：大學(xué)物理實驗，半導(dǎo)體物理，半導(dǎo)體器件，微電子學(xué)概論，模擬電子技術(shù)，數(shù)字集成電路設(shè)計，微電子制造技術(shù)和計算機輔助設(shè)計等理論課程后，再進行本課程的學(xué)習(xí)。要求學(xué)生掌握半導(dǎo)體材料特性測試技術(shù)、微電子技術(shù)工藝參數(shù)測試分析技術(shù)和微電子器件參數(shù)測試與應(yīng)用技術(shù)，能夠熟練使用集成電路EDA工具軟件。第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六

實驗學(xué)時：64必修課每個學(xué)生必須獨立完成16個實驗項目考核方法:課內(nèi)實驗完成情況40%

實驗報告40%

課內(nèi)考試20%

第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗教學(xué)內(nèi)容本實驗課程涵蓋三部分實驗內(nèi)容：半導(dǎo)體材料特性與微電子技術(shù)工藝參數(shù)測試分析半導(dǎo)體器件性能參數(shù)測試集成電路性能參數(shù)測試與應(yīng)用及現(xiàn)代集成電路EDA技術(shù)第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六半導(dǎo)體材料特性與微電子技術(shù)工藝參數(shù)測分析：四探針法測量半導(dǎo)體電阻率半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)實驗光電導(dǎo)衰退法測量單晶硅非平衡少數(shù)載流子壽命用橢圓偏振儀測量薄膜厚度P-N結(jié)的顯示與結(jié)深的測量MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性測試（演示）實驗內(nèi)容（1）第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗內(nèi)容（2）

半導(dǎo)體器件性能參數(shù)測試實驗：用圖示儀測量雙極性晶體管的交、直流參數(shù)場效應(yīng)晶體管參數(shù)測量晶體管特征頻率的測量晶閘管阻斷特性與觸發(fā)特性的測量晶閘管通態(tài)峰值壓降的測量第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六集成電路性能參數(shù)測試與應(yīng)用及現(xiàn)代集成電路EDA技術(shù)實驗：雙極性運算放大器參數(shù)的測試版圖電路分析幾種數(shù)字門電路的計算機模擬與仿真運算放大器應(yīng)用電路模擬與仿真數(shù)字電路版圖設(shè)計模擬集成電路設(shè)計與仿真穩(wěn)壓電源及應(yīng)用電路的計算機模擬與仿真

實驗內(nèi)容（3）第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗安排1~4周：實驗2、3、9（125）；1、14、15（523）5~8周：實驗8、10、12（125）；18、22、13（523）9~11周：實驗17（125）；16、21（523）12周：實驗20（523）課內(nèi)考試說明：1、每四周完成所安排的所有實驗，實驗報告交給相應(yīng)的指導(dǎo)老師：1班：李立珺、趙萍

2班：邢立冬

3班：徐麗琴、武利翻2、實驗時間為：周三5~8節(jié)，周五5~8節(jié)。第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗報告撰寫要求

實驗報告必須按統(tǒng)一格式書寫，報告內(nèi)容必須包含預(yù)習(xí)報告和正式報告兩部分：預(yù)習(xí)報告必須在該次實驗前完成，無預(yù)習(xí)報告不得參加當(dāng)次實驗，包括實驗名稱、實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗?nèi)容與要求、實驗步驟與方案。正式報告包括實驗結(jié)果與分析、思考題、實驗總結(jié)與心得，正式報告在實驗完成后寫，緊接預(yù)習(xí)報告部分。預(yù)習(xí)報告和正式報告合在一起作為該次實驗的實驗報告上交，實驗報告封面按統(tǒng)一格式（見附件），實驗報告內(nèi)容要求手寫。第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗一四探針法測電阻率

電阻率是反映半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能的重要參數(shù)之一。測量電阻率的方法很多，四探針法是一種廣泛采用的標準方法。實驗?zāi)康模赫莆账奶结槣y試電阻率的原理和方法；針對不同幾何尺寸的樣品測試電阻率時，應(yīng)掌握其修正方法；實驗內(nèi)容：

1．對給定的2~3個厚度不同的樣品分別測量其電阻率、方塊電阻值。

2．對每種樣品，各測10個不同點，用excell計算修正求出電阻率、進行數(shù)據(jù)分析；

3．對單面擴散和雙面擴散樣品分別測量其薄層電阻R。第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗二半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體物理性質(zhì)的一種重要方法。利用霍爾效應(yīng)可以判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型，測量半導(dǎo)體的載流子濃度和遷移率。實驗?zāi)康模菏煜せ魻栃?yīng)的測試原理；掌握電阻率和霍爾系數(shù)的測量方法,并用EXCEL計算多項電學(xué)參數(shù)，如電阻率ρ、霍爾系數(shù)、載流子濃度P0、n0等；觀察半導(dǎo)體的磁阻現(xiàn)象。第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗內(nèi)容

1、用長條法測試矩形樣品(n-si)的ρ和RH值。測電阻率時（磁場強度B=0）樣品電流分別取代0.4mA、0.8mA兩個值，測霍爾電壓時，磁場強度B=2000GS。

2、用范德堡法測Si薄片半導(dǎo)體樣品的ρ和RH值。測試條件同上。

3、用EXCEL進行數(shù)據(jù)處理。實驗二半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗三用圖示儀測量雙極型晶體管直流參數(shù)

雙極型晶體管是集成電路的主要有源器件之一，在電子技術(shù)方面具有廣泛的應(yīng)用。在制造晶體管和使用過程中，都要對其參數(shù)性能進行檢測。晶體管的直流參數(shù)及性能是評價晶體管質(zhì)量及選擇的主要依據(jù)。通常采用晶體管圖示儀進行測量。實驗?zāi)康模毫私饩w管特性圖示儀的基本工作原理及其使用方法；掌握用晶體管特性圖示儀測量晶體管各種特性曲線的方法；掌握用晶體管特性圖示儀測量普通二極管、發(fā)光二極管、穩(wěn)壓管、三極管、結(jié)型場效應(yīng)管等器件的各種直流參數(shù)的方法。第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗內(nèi)容1、整流二極管、發(fā)光二極管、穩(wěn)壓管的正、反向特性測試；2、晶體三極管的測試（分別對NPN、PNP三極管進行測試），包括：

a）三極管的輸出特性；

b）飽和壓降UCES的測量；

c）反向擊穿電壓：Bicep、Bvcbo、Bvebo；和反向漏電流的測試；

d）三極管輸入特性的測試；3、結(jié)型場效應(yīng)管（3DJ7為例）直流參數(shù)的測試。實驗三用圖示儀測量雙極型晶體管直流參數(shù)

第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗五場效應(yīng)晶體管參數(shù)測量場效應(yīng)晶體管不同于一般的雙極晶體管,它是一種電壓控制器件。從工作原理看，場效應(yīng)晶體管與電子管很相似，是通過改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場強度去控制溝道的導(dǎo)電能力，因而稱為“場效應(yīng)”晶體管。場效應(yīng)晶體管的工作電流是半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的漂移流，參與導(dǎo)電的只有一種載流子，故又稱“單極型”晶體管。通常用“FET”表示。場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管（MISFET）兩大類。目前多數(shù)絕緣柵型場效應(yīng)管為金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）三層結(jié)構(gòu)，縮寫為MOSFET。本實驗對結(jié)型、MOS型場效應(yīng)管的直流參數(shù)進行檢測。第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六二、實驗內(nèi)容與要求：

1、完成結(jié)型場效應(yīng)管參數(shù)的測量。

2、熟悉場效應(yīng)晶體管主要參數(shù)的物理意義及BJ2922B型場效應(yīng)管參數(shù)測試儀的使用方法實驗五場效應(yīng)晶體管參數(shù)測量第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗六光電導(dǎo)衰減法測量單晶硅非平衡少數(shù)載流子壽命

半導(dǎo)體材料中的非平衡少數(shù)載流子壽命對器件的電流增益、正向壓降、開關(guān)速度的參數(shù)起著決定性作用。光電導(dǎo)衰減法有直流光電導(dǎo)衰減法、高頻光電導(dǎo)衰減法和微波光電導(dǎo)衰減法，其差別主要在于是用直流、高頻電流還是用微波來提供檢測樣品中非平衡載流子的衰減過程的手段。本實驗采用高頻光電導(dǎo)衰退法來測量非平衡少子的壽命。第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六

實驗?zāi)康模?/p>

1．掌握用高頻光電導(dǎo)衰減法測量Si單晶中少數(shù)載流子壽命的原理和方法；

2.加深對少數(shù)載流子壽命及其與樣品其它物理參數(shù)關(guān)系的理解。實驗內(nèi)容：

1、測量3個不同電阻率樣品的非平衡少子壽命τ。

2、每個樣品測定2－3次，求出平均值，獲得Si材料在光照下的?V~t曲線。

3、對結(jié)果進行分析。實驗六光電導(dǎo)衰減法測量單晶硅非平衡少數(shù)載流子壽命

第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗八p-n結(jié)的顯示與結(jié)深的測量

在用平面工藝制造晶體管和集成電路時，一般用擴散法制作p-n結(jié)。由于擴散雜質(zhì)與外延層雜質(zhì)的類型不同，所以在外延層中某一個位置，其摻入雜質(zhì)濃度與外延層雜質(zhì)濃度相等，從而形成了p-n結(jié)。將p-n結(jié)材料表面到p-n結(jié)界面的距離稱為p-n結(jié)結(jié)深，一般用Xj表示。由于基區(qū)寬度決定著晶體管的放大倍數(shù)β、特征頻率fT等電參數(shù)，而集電結(jié)結(jié)深Xjc和發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje之差就是基區(qū)寬度，因此必須了解并掌握測量結(jié)深的原理和方法。測量結(jié)深的方法有磨角法、滾槽法，也可以采用陽極氧化剝層法直接計算得出。本實驗采用磨角法。本實驗的目的是學(xué)會用磨角器磨角法制作p-n結(jié)樣片，采用電解水氧化法顯示p-n結(jié)；并利用金相顯微鏡觀測結(jié)深。第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗內(nèi)容

1、用磨角器磨角法制作p-n結(jié)樣片；

2、采用電解水氧化法顯示p-n結(jié)；

3、用金相顯微鏡觀測樣品的相關(guān)數(shù)據(jù)并計算出結(jié)深，重復(fù)測量3次，求出結(jié)深的平均值。實驗八p-n結(jié)的顯示與結(jié)深的測量

第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗九用橢偏儀測量薄膜厚度

二氧化硅（SiO2）介質(zhì)膜是硅集成電路平面制造工藝中不可缺少的重要材料。根據(jù)不同的需要，人們利用各種方法制備二氧化硅，用來作為器件的保護層和鈍化層，以及電性能的隔離、絕緣材料和電容器的介質(zhì)膜等。其更重要的應(yīng)用之一，就是作為選擇性擴散的掩蔽膜。無論SiO2膜用作哪一種用途，都必須準確的測定和控制它的厚度。另外，折射率是表征SiO2薄膜光學(xué)性質(zhì)的一個重要參數(shù)，因此我們必須掌握SiO2膜厚及其折射率的測量方法。通常測定薄模厚度的方法有比色法、干涉法、橢偏法等。比色法可以方便的估計出氧化硅膜的厚度，但誤差較大。干涉法具有設(shè)備簡單、測量方便的特點，結(jié)果也比較準確。橢偏法測量膜厚是非破壞性測量，具有測量精度高，方法較靈敏的獨特優(yōu)點，因此已廣泛應(yīng)用在光學(xué)、半導(dǎo)體、生物、醫(yī)學(xué)等方面。第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗九用橢偏儀測量薄膜厚度

本實驗?zāi)康模?/p>

1、了解用橢圓偏振法測量薄膜參數(shù)的基本原理和方法；

2、掌握SGC-2型自動橢圓偏振測厚儀的使用方法；

3、用橢偏儀測量Si襯底上的SiO2薄膜的折射率和厚度。實驗內(nèi)容

1．用橢偏儀測量Si襯底上的SiO2薄膜的折射率和厚度；（選兩個樣品進行測試）

2．重復(fù)測量3次，求折射率和膜厚的平均值。第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十晶體管特征頻率的測量

晶體管頻率特性表現(xiàn)為其交流電流增益隨晶體管工作頻率的提高而下降。晶體管特征頻率的測量定義為共射極輸出交流短路電流增益下降到時的工作頻率。它反映了晶體管在共發(fā)射運用中具有電流放大作用的極限頻率,也是晶體管最重要的頻率參數(shù)之一。晶體管特征頻率與晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)計和物理參數(shù)有關(guān),還與晶體管工作時的電流大小密切相關(guān)。因此,晶體管的特征頻率fT是指在一定偏置條件下的測量值。其測試原理通常采用"增益—帶寬"積的方法。本實驗的目的是掌握晶體管特征頻率fT的測試原理及測量方法,熟悉fT分別隨IE和VCE變化的規(guī)律,加深其與晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計和物理參數(shù)各工作偏置條件的理解。為晶體管的頻率特性設(shè)計,制造和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十晶體管特征頻率的測量實驗內(nèi)容

1.在規(guī)范偏置條件下測量所選晶體管的特征頻率。

2.置規(guī)范值，改變測量~變化關(guān)系。

3.置規(guī)范值，改變測量~變化關(guān)系。

4.在被測管的發(fā)射結(jié)并接數(shù)pF電容，觀察變化。

5.求出被測管的，的近似值。第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十二雙極性運算放大器參數(shù)的測試集成運算放大器是一種高性能直接耦合放大電路。在外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)后，具有不同的運算功能。運算放大器除了可對輸入信號進行加、減、乘、除、微分、積分等數(shù)學(xué)運算外，還在自動控制，測量技術(shù)、儀器儀表等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。實驗?zāi)康模菏煜み\算放大器主要參數(shù)的測試原理，掌握這些參數(shù)的測試方法。第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗內(nèi)容：

1、分別在6V、8V、15V三種電壓下測試運算放大器LF741各個交、直流參數(shù)并比較分析；

2、對比分析測試數(shù)據(jù)及結(jié)果；

3、并畫出其傳輸特性和轉(zhuǎn)換速率的曲線。實驗十二雙極性運算放大器參數(shù)的測試第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十三版圖電路分析

實驗?zāi)康?/p>

1、培養(yǎng)從版圖提取電路的能力

2、學(xué)習(xí)版圖設(shè)計的方法和技巧

3、復(fù)習(xí)和鞏固基本的數(shù)字單元電路設(shè)計實驗內(nèi)容反向提取給定電路模塊，要求畫出電路原理圖，分析出其所完成的邏輯功能，并進行仿真驗證。第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十四幾種數(shù)字門電路的計算機模擬與仿真集成電路的計算機輔助設(shè)計大致可分為以下幾步：電路圖繪制和電連接關(guān)系描述、電路（模、數(shù)）特性分析與模擬。根據(jù)分析和模擬結(jié)果修改并確定電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合具體的集成電路工藝編輯集成電路版圖。本實驗的目的是用ORCAD軟件完成數(shù)字電路邏輯電路圖的繪制及模擬。第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗內(nèi)容1、模擬半加器及一位全加器的瞬態(tài)特性。2、模擬單端輸入MOS與五管TTL非門電路的直流、交流和瞬態(tài)特性。

a、當(dāng)Vin=1V時，求各電阻上流過的電流和輸出電壓；

b、求Vin為頻率10Mhz的方波時該電路輸出的頻率響應(yīng)（上升延時，下降延時和輸出電壓峰值）。Vin的峰值為2V。晶體管參數(shù)：Cjc=3pf；Cje=2pf；放大系數(shù)BF＝20；

c、當(dāng)Vin為幅值3V的交流信號時，晶體管參數(shù)不變，分析該電路的交流特性（電路交流截止頻率等）。注：信號源分別用DC、Vsin、Vpulse幅度3V，頻率1khz。3、模擬由3非門單元構(gòu)成的信號產(chǎn)生電路第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十五運算放大電路應(yīng)用電路的模擬與仿真

集成運算放大器是廣泛應(yīng)用的集成放大器件。如果在其輸入、輸出端連接適當(dāng)?shù)脑骷纯赏瓿杉?、減、積分、微分、對數(shù)和反對數(shù)等運算，這些運算電路的搭配組合還可以完成乘、除法功能。利用其反饋特性還可用作正弦波、方波等信號的發(fā)生裝置。實驗?zāi)康闹荚趯W(xué)習(xí)和理解集成運算放大器的主要參數(shù)及應(yīng)用，為設(shè)計、制造和應(yīng)用集成運算放大器奠定基礎(chǔ)。第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十五運算放大電路應(yīng)用電路的模擬與仿真實驗內(nèi)容加法運算電路電壓跟隨器減法運算電路積分運算電路微分運算電路對數(shù)運算電路指數(shù)運算電路過零比較器信號產(chǎn)生電路

1、從以上內(nèi)容中選取5－6個應(yīng)用電路進行模擬，實現(xiàn)邏輯功能并測試。（電源電壓為±6V下）

2、對比分析測試的數(shù)據(jù)及結(jié)果。第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十六數(shù)字電路版圖設(shè)計集成電路設(shè)計通常需要經(jīng)歷三個階段：系統(tǒng)設(shè)計、電路設(shè)計和版圖設(shè)計。版圖設(shè)計是IC設(shè)計的重要一環(huán)，這也是IC設(shè)計的最后一個環(huán)節(jié)。集成電路版圖設(shè)計是一門技術(shù)，它需要設(shè)計者具有電路系統(tǒng)原理與工藝制造方面的基礎(chǔ)知識。但它更需要設(shè)計者的創(chuàng)造性、空間想象力和耐性，需要設(shè)計者長期工作的經(jīng)驗和知識的積累，需要設(shè)計者對日新月異的集成電路發(fā)展密切關(guān)注和探索，總之，集成電路版圖設(shè)計不僅僅是一門技術(shù)，也是一門藝術(shù)。第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十六數(shù)字電路版圖設(shè)計人工版圖設(shè)計典型過程第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十六數(shù)字電路版圖設(shè)計實驗內(nèi)容1、采用1umCMOS工藝編輯一個CMOS反相器（如圖所示）的版圖。其中NMOS和PMOS晶體管的柵長約為1um，柵寬均為6um。（采用設(shè)計規(guī)則）

CMOS反相器電路圖第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十六數(shù)字電路版圖設(shè)計2、設(shè)計一個CMOS結(jié)構(gòu)的二選一選擇器的版圖，并作DRC驗證：（1）根據(jù)二選一選擇器功能，分析其邏輯關(guān)系。（2）根據(jù)其邏輯關(guān)系，構(gòu)建CMOS結(jié)構(gòu)的電路圖。（3）利用EDA工具L－Edit畫出其相應(yīng)版圖。（4）利用幾何設(shè)計規(guī)則文件進行在線DRC驗證并修改版圖。第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十七MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性測試MOS結(jié)構(gòu)電容-電壓特性（簡稱C-V特性）測量是檢測MOS器件制造工藝的重要手段。它可以方便地確定二氧化硅層厚度、襯底摻雜濃度、氧化層中可動電荷面密度和固定電荷面密度等參數(shù)。本實驗?zāi)康氖峭ㄟ^測量MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性及偏壓溫度處理（簡稱BT處理），確定二氧化硅層厚度、襯底摻雜濃度N、氧化層中可動電荷面密度和固定電荷面密度等參數(shù)。第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十七MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性測試實驗內(nèi)容

1、測量初始高頻C-V特性曲線。

2、作正、負BT處理。

3、分別測出正、負BT處理后的高頻C-V特性曲線。第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十八PMOS運算放大器設(shè)計與模擬在當(dāng)前的集成電路設(shè)計領(lǐng)域，模擬和數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計是公認的難點。SPICE是目前模擬和數(shù)模混合集成電路設(shè)計中最為重要和通用的設(shè)計工具。而MOS工藝也已經(jīng)成為目前模擬和數(shù)模混合集成電路制造的主流工藝。因此，為了更好地提高同學(xué)們地設(shè)計能力和對知識地掌握，本實驗并沒有選擇數(shù)字集成電路設(shè)計和雙極型模擬集成電路設(shè)計作為任務(wù)，而是選擇了MOS工藝和模擬集成電路中最重要單元電路――運算放大器電路作為任務(wù)。實驗?zāi)康氖鞘煜み\算放大器的基本電路結(jié)構(gòu)和基本特性；熟練掌握SPICE電路模擬與仿真技術(shù)；熟練掌握將電路圖轉(zhuǎn)化為集成電路版圖的方法與LEDIT的使用。第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六實驗十八PMOS運算放大器設(shè)計與模擬實驗內(nèi)容

PMOS運算放大器電路的模擬：本實驗?zāi)繕耸窃O(shè)計一個高性能的PMOS運算放大器，如圖2。整個設(shè)計包括差分對電路