1、集成电路测试技术基础实验指导书集成电路测试技术基础实验指导书信息工程学院微电子学系魏淑华实 验 守 则一预习认真预习实验内容和相关理论知识，明确实验目的、原理和步骤，了解有关仪器设备的使用方法、注意事项以及操作规程等。二实验1按规定时间到达实验室，遵守实验室相关的规章制度。2实验过程中，要听从教师和工作人员的指导，认真操作和观察，如实记录各种实验数据和实验现象，不得拼凑数据或抄袭他人的实验记录。3实验过程中，若出现仪器设备故障，应立即切断电源，停止操作，保持现场，报告指导教师。4实验完成后，原始实验数据必须由指导教师签字确认。三实验报告1实验报告要求字迹工整，条理清楚，简明扼要，装订整齐，要有
2、单独的封面页。实验报告封面页需依次注明以下信息： 课程名称：集成电路测试技术基础。 实验序号及实验名称，如：实验一 *。 班级、姓名、学号及实验时间和地点。 指导教师： 。2基本内容实验目的实验原理所用仪器被测器件特性实验步骤实验数据分析3每个实验中要求的其它具体内容。实验一 keithley 2600系列数字源表的认知学习 4 实验二 利用数字源表进行二极管特性参数的测试 11实验三 利用数字源表进行三极管特性参数的测试 14实验四 基于数字源表的基准电压源集成电路测试 19实验一 Keithley 2600系列数字源表的认知学习一、实验目的1、了解Keithley 2600系列数字源表的特
3、点及主要优点；2、理解Keithley 2600系列数字源表开尔文测试的原理；3、掌握Keithley 2600系列数字源表的使用方法二、实验原理1、Keithley 2600系列数字源表主要特点及优点：2600A系列是吉时利屡获殊荣的数字源表平台的最新版本。该平台囊括了精密电源、真电流源、DMM、任意波形发生器、电压或电流脉冲发生器，带有测量、电气负载和触发控制功能融所有功能于一台仪器之中。一个紧凑的单元中综合了如下功能：精密电压源、高精度电流源、数字多用表、任意波形发生器、电压或电流脉冲发生器、电子负载以及触发控制器；接触检测功能确保了高速及准确的测量 ；每秒10,000个读数和5,500
4、个源-测量点记录到存储器，提供了更快速的测试；内置的测试脚本处理器(TSP)提供非并行系统的自动化测试，将I-V测试的速度提高到同类产品的二到四倍 ；2600系列提供宽动态范围：1pA到10A，1V到200V 。每个2600系列数字源表的通道都提供高度的灵活性、具有电压和电流表/限制器的四象限电源。每个通道都可被设置为一个： 精密电源 (高达200V和3ADC/10A脉冲输出，具有1pA读回分辨率) 精确电流源 数字多用表(直流电压、直流电流、电阻、电源，具有五位半分辨率) 电源V或I脉冲发生器(脉冲宽度：150s或更长仅源；250s或更长源和测量) 电源V或I波形发生器(20点正弦波在TSP
5、测试脚本中可高达400Hz) 电子负载2、开尔文测试 开尔文（Kelvin）测试就是通常所说的四线测试方式，四线开尔文测试的目的是扣除导线电阻带来的压降。一段30cm长导线的等效电阻大概是十毫欧姆到百毫欧姆，如果通过导线的电流足够大（比如是安培级的话），那么导线两端的压降就达到几十到上百mV。如想准确测量负载两端的电压就必须扣除导线电阻带来的压降。开尔文测试的等效电路如下：图1.1 开尔文连接示意图其中RL等效为被测器件，通过V/I源的FORCE线为器件提供恒流，通过SENSE线测量RL两端的电压。而FORCE和AGND导线均存在等效电阻，当流经的电流较大时，势必产生比较大的压降。由于SENS
6、E和DGS直接接到负载两端，且输入阻抗极高，故流过这两根导线的电流可视为零，从而能精确读取负载两端电压。2600系列源表的测试就是采用开尔文测试方法，如下图：图1.2 Keithley2600仪器模拟测试端口结构3、Keithley 2600系列数字源表前后面板下图显示了2600系列源表的前面板 图1.3 2600系列前面板注意：2601和2611型有一个源表通道（通道A），2602 和2612型有两个源表通道（通道A和通道B）。 1. 特殊键和电源开关： DISPLAY：在各种源-测量显示和用户信息模式间切换。2602/2612型号选择单通道或双通道显示。 CONFIG：用于功能和操作的设置
7、。 POWER：电源开关，按下时（I）打开源表，弹起时（O）关闭源表。 数字键：在EDIT模式可以直接按数字键 (0-9, +/-, 0000)输入数值。 2、源测量设置，性能控制和特殊操作： 最上一行2601/2611和2602/2612型源测量设置：SRC Channel A 选择源功能（电压V或电流A），并将光标放在源设置区用于编辑。MEAS Channel A 循环选择各测试功能（电压V，电流A，电阻或功率W）。LIMIT Channel A 将光标放在限制设置区用于编辑。MODE Channel A 直接选择测试功能（电压V，电流A，电阻或功率W）。最上一行仅用于2602/2612型
8、源测量设置：SRC Channel B 选择源功能（电压V或电流A），并将光标放在源设置区用于编辑。MEAS Channel B 循环选择各测试功能（电压V，电流A，电阻或功率W）。LIMIT Channel B 将光标放在限制设置区用于编辑。MODE Channel B 直接选择测试功能（电压V，电流A，电阻或功率W）。中间行2601/2611和2602/2612型源测量设置：DIGITS Channel A 改变显示精度为 4位半、5位半或6位半数字。 SPEED Channel A 设置测量速度，通过控制A/D转换测量孔径实现。REL Channel A 控制相对值，可用于在读数上减去一
9、个基值。 FILTER Channel A 控制数字滤波器，用于减少读数噪声。中间行仅用于2602/2612型源测量设置：DIGITS Channel B 改变显示精度为 4位半、5位半或6位半数字。 SPEED Channel B 设置测量速度，通过控制A/D转换测量孔径实现。REL Channel B 控制相对值，可用于在读数上减去一个基值。 FILTER Channel B 控制数字滤波器，用于减少读数噪声。最下一行2601/2611和2602/2612型源测量设置：LOAD 掉入工厂或用户自定义的运行脚本RUN 运行最后一次的工厂或用户自定义脚本STORE 在内部的两个缓存区中的一个里
10、存储读数，源值和时间戳值用于后续重新调用。 RECALL 从两个缓存区中的一个里重新调用存储的读数，源值和时间戳值。 TRIG 触发器读数。 MENU 访问主菜单，进行保存和回调设置，选择远端接口，电源频率，自测试，序列号和鸣响控制。 EXIT 取消选择，跳出主菜单结构。做为LOCAL键用于从远端控制切换回来。ENTER 接受选择，移到下个选项或退出菜单。 3、Range 键：和 选择下一个更高或更低的源或测量的范围。 AUTO 使能或取消自动选择源或测量的范围。 4、输出控制和LED状态指示灯：OUTPUT ON/OFF 控制源输出的开关。 LED指示灯 当有输出时点亮。5、旋钮和CURSO
11、R 键： 在源编辑状态时，使用CURSOR 键控制光标，然后旋转旋钮改变源或依从值。旋钮也可以用于使能或取消源编辑模式。当在一个菜单里时，CURSOR 键或旋钮用于菜单选项光标的控制。当显示菜单值时，使用CURSOR键控制光标，旋转旋钮改变值的大小，按下旋钮打开菜单项或选择菜单项或值。 6、显示指示（不显示） (not shown): EDIT 设备处于源编辑模式。ERR 可疑的读数或无效的计算步骤。 REM 设备处于远端控制模式。TALK 设备处于通话状态。LSTN 设备处于监听状态。SRQ 服务请求。 REL 使用相对模式 FILT 使用模拟示波器或平均值滤波器AUTO 源或测量范围处于自
12、动选择状态。ARM 设备准备好，处于待命状态。TRIG 选择外触发。* (星号) 缓冲区中存有读数值。7、后面板概述 下图显示了2600系列源表的后面板图1.4 2600系列源表后面板1、CHANNEL A 和 CHANNEL B (Channel B只有2602/2612型号才有) 输入输出端口，包括源、测量和保护。2、DIGITAL I/O 母头DB-25连接器。14针为数字输入或输出，1针为输出使能。使用公头DB-25连接器（Keithley公司零件号CA-126-1CA）进行连接。 3、IEEE-488 IEEE-488 (GPIB) 连接器。使用屏蔽电缆，如7007-1 或Model
13、 7007-2型号。 4、散热排气孔内部冷却风扇的排气孔。不要堵塞排气孔防止过热。 5、机壳地连接机壳地的地脚螺丝。6、低噪声机壳地 连接HI 或 LO到机壳的接地地插孔。 7、RS-232 用于RS-232操作的母头DB-9连接器，使用直连（不是零调制解调器）DB-9电缆连接到PC机（Keithley设备编号Model 7009-5）8、TSP-Link 扩展接口，用于2600系列源表和其他有TSP功能的仪器彼此间触发和通讯。使用超5类或更高等级的网络交叉电缆。(Keithley设备编号CA-180-3A)。 9、电源模块包括交流电源插座和保险管。仪器正常工作的线电压100V240VAC，频
14、率50Hz或60Hz。三、实验内容利用Keithley 2600系列单通道测试一个电阻，提供电流，测量电压，绘制出I-V特性曲线并计算出电阻值，与万用表测量的电阻值进行比较验证。四、实验步骤 第一步：打开电源 第二步：连接待测器件选择通道A,将模式调为开尔文测试模式，用四根线，其中的两根红线接到电阻一端，两根黑线接电阻另一端。选用A通道，红黑表笔连接电阻两端，设置测量值为电压，自变量为电流。 第三步：进行测量模式和源、测量范围的设置 通过SRC按键将源设为电流，通过range 按键将单位调为mA，通过meas按键将测量调为电压，通过range 按键将单位调为mV，通过limit按键将限值调为1
15、V。 第四步：进行测试不断调节电流值，并记下相应的电压值。五、实验报告要求1. 整理实验数据，画出特性曲线图。2. 将实验结果与理论值进行比较，分析可能产生误差的原因。实验二 利用数字源表进行二极管特性参数的测试一、实验目的1.掌握数字源表的测试原理及单通道测试的使用方法；2.掌握二极管特性参数的基本测试原理及方法；3.掌握数字源表四线制测试的方法及优势。二、实验原理 1、 发光二极管简介它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在P
16、N结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。2、 发光二极管的主要特性参数及含义普通发光二极管的正向饱和压降为 正向工作电流为520A3、LED的特性1.极限参数的意义 (1)允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 (2)最大正向直流电流IFm
17、：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。(3)最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 (4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2.电参数的意义 (1)正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。 (2)正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在3V。在外界温度升高时，VF将下降。 (3)V-I特性：发光二极管的电
18、压与电流的关系 在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR1V以后，输入特性几乎与VCE=1V时的特性重合，因为VCE 1V后，IB无明显改变了。晶体管工作在放大状态时，VCE总是大于1V的（集电结反偏），因此常用VCE1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。5、 三极管输出特性曲线含义及特点晶体管的输出特性曲线表示以IB为参考变量时，IC和VCE的关系，即: （5-2）图是三极管的输出特性曲线，当IB改变时，可得一组曲线族，由图可见，输出特性曲
19、线可分放大、截止和饱和三个区域。（1） 截止区 ：IB = 0的特性曲线以下区域称为截止区。在这个区域中，集电结处于反偏，VBE0发射结反偏或零偏，即VCVEVB。电流IC很小，（等于反向穿透电流ICEO）工作在截止区时，晶体管在电路中犹如一个断开的开关。（2） 饱和区 ：特性曲线靠近纵轴的区域是饱和区。当VCEVCVE。在饱和区IB增大，IC几乎不再增大，三极管失去放大作用。规定VCE=VBE时的状态称为临界饱和状态，用VCES表示，此时集电极临界饱和电流： （3-1）基极临界饱和电流： （3-2）当集电极电流ICICS时，认为管子已处于饱和状态。ICVBVE。 其特点是IC的大小受IB的控
20、制，IC=IB，晶体管具有电流放大作用。在放大区约等于常数，IC几乎按一定比例等距离平行变化。由于IC只受IB的控制，几乎与VCE的大小无关。特性曲线反映出恒流源的特点，即三极管可看作受基极电流控制的受控恒流源。三.实验内容1、对三极管S9012的输入特性和输出特性进行测试，利用Keithley 2600系列数字源表的双通道进行测试，A通道提供基极电流iB，测量基极发射极电压uBE；B 通道提供集电极发射极电压uCE，测量集电极电流ic。2. 对三极管S9013的输入特性和输出特性进行测试，利用Keithley 2600系列数字源表的双通道进行测试，A通道提供基极电流iB，测量基极发射极电压u
21、BE；B 通道提供集电极发射极电压uCE，测量集电极电流ic。 图3.4 实验电路及示例特性曲线测量输入特性曲线时，分别固定uCE为0V和1V，然后改变iB值，测量uBE。测量输出特性曲线时，分别固定iB为，然后改变uCE，测量ic。 四.实验步骤 第一步：打开电源 第二步：连接待测器件 用双通道，通道A的红线连接三极管的B极，黑线连接三极管的E极，通道B的红线连接三极管的C极，黑线连接三极管的E极。 选择A通道，固定Uce的值。选择B通道改变Ib的值，测量Ube 选择A通道，固定Ib的值，之后选择B通道通过改变Uce，测量Ic。 第三步：进行测量模式和源、测量范围的设置 通过通道A的SRC按
22、键将源设为电流，通过range 按键将单位调为mA，通过meas按键将测量调为电压，通过range 按键将单位调为V；通过通道B的SRC按键将源设为电压，通过range 按键将单位调为V，通过meas按键将测量调为电流，通过range 按键将单位调为A。 第四步：进行测试（1）先将通道B的电压调为1V，然后改变通道A的源即电流值，记下相应的的电压值。 （2）先将通道A的电流调为，然后改变通道B的电压值，记下相应的电流值；然后分别将通道A的电流值调为，1.0mA,重复通道B的操作。五、实验报告要求1. 整理被测三极管测试的实验数据，画出其输入输出特性曲线图。2. 将实验结果与理论值进行比较，分析
23、可能产生误差的原因。实验四 基于数字源表的基准电压源集成电路测试一、实验目的1、掌握Keithley2600系列源表双通道配合测量基本方法；2、掌握电源类集成电路基本工作原理及参数的测试方法；3、掌握集成电路测试方案的制定方法。二、实验原理 1. TL431简介TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置s到从Vref （）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。图4.1 TL431符号及引脚图图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。TL431的具体功能可以用如下图的功能模块示意。 图4.2 TL431结构框图由图4.2可以看到，VI是一个内部的基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三
