CN209446724U - 一种可远程交互的半导体综合参数测试设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种可远程交互的半导体综合参数测试设备，包括控制系统、电流检测模块、电压检测模块、C‑V测试单元、高精度DDS模块、显示屏、通信接口、图像处理模块、电流源、电压源、摄像头、无线通讯模块及复用接口组件，电流检测模块、电压检测模块、C‑V测试单元、高精度DDS模块任意两者之间通过控制系统切换；电流检测模块上连接有电流检测接口，电压检测模块上连接有电压检测接口，C‑V测试单元上连接有电容检测接口，高精度DDS模块上连接有信号输出口，电流源上连接有电流输出口，电压源上连接有电压输出口。本实用新型兼具电流检测、电压检测、电源、数字信号发生器等多种功能，结构紧凑、体积小，具有远程交互功能。

Description

一种可远程交互的半导体综合参数测试设备

技术领域

本实用新型属于半导体性能测试技术领域，特别是指一种可远程交互的半导体综合参数测试设备。

背景技术

半导体物理与器件的测试实验是高校电子科学与技术系的一门重要课程，学生在学习“半导体物理”、“微电子器件”等课程的理论学习的同时，需要进行大量的实验课以辅助学生们对半导体器件知识的学习。性能良好、功能强大的实验设备是保证半导体测试实验正常进行的基础。目前，高校半导体测试实验设备存在稳定性差、测试功能单一的缺陷，不同的测试实验需要切换至不同的测试设备，因而半导体设备种类繁多、占用实验室空间大，造成单次可供实验学生数量少，上课效率低下。再者，现有的半导体测试实验设备放置于实验室内，学生必须在实验室内进行操作，因而实验时间与地点固定，然而现实中存在很多种特殊情况导致学生无法在特定时间内去实验室做实验。如何设计一种体积小、功能多、可以通过手机或电脑操作的半导体综合参数测试设备，是目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

为解决以上现有技术的不足，本实用新型提出了一种可远程交互的半导体综合参数测试设备。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种可远程交互的半导体综合参数测试设备，包括控制系统、电流检测模块、电压检测模块、C-V测试单元、高精度DDS模块、显示屏、通信接口、图像处理模块、电流源、电压源、摄像头和无线通讯模块，电流检测模块、电压检测模块、C-V测试单元、高精度DDS模块、电流源、电压源、显示屏、通信接口分别与控制系统电性连接，电流检测模块、电压检测模块、C-V测试单元、高精度DDS模块任意两者之间通过控制系统实现切换；

电流检测模块上连接有电流检测接口，电压检测模块上连接有电压检测接口，C-V测试单元上连接有电容检测接口，高精度DDS模块上连接有信号输出口，电流源上连接有电流输出口，电压源上连接有电压输出口，摄像头通过图像处理模块与控制系统连接；

电流检测接口、电压检测接口、电容检测接口、信号输出口、电压输出口、电流输出口分别连接有复用接口组件，复用接口组件包括复用接口一、复用接口两、复用接口三、复用接口四；

可远程交互的半导体综合参数测试设备通过无线通讯模块与学生电脑或手机客户端经由互联网进行远程连接。

优选的，控制系统为STM32单片机。

更为优选的，无线通讯模块为WiFi模块或Zigbee模块。

最为优选的，显示屏为LCD屏幕。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、兼具电流检测、电压检测、电源、数字信号发生器等多种功能，能够满足四探针测试半导体电阻率、肖特基二极管的I-V特性测试分析、肖特基二极管的势垒高度及半导体杂质浓度的测试分析、PN结势垒特性及杂质的测试分析、MIS的高频C-V测试、二极管直流参数测试、双极型晶体管直流参数测试、MOS场效应晶体管直流参数测试、双极型晶体管开关时间测试、双极型晶体管特征频率测试等实验的需要；

2、结构紧凑、体积小、易操作，安装方便；

3、具有远程交互功能，学生们也可以通过自己的电脑或者手机操作该实验设备，实现自由的上课时间和上课地点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1进行远程交互的原理框图；

图3为实验室电脑端上位机软件系统框图；

图4为学生电脑端上位机软件系统框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示：一种可远程交互的半导体综合参数测试设备，包括控制系统、电流检测模块、电压检测模块、C-V测试单元、高精度DDS模块、显示屏、通信接口、图像处理模块、电流源、电压源、摄像头和无线通讯模块，电流检测模块、电压检测模块、C-V测试单元、高精度DDS模块、电流源、电压源、显示屏、通信接口分别与控制系统电性连接，电流检测模块、电压检测模块、C-V测试单元、高精度DDS模块任意两者之间通过控制系统实现切换；

电流检测模块上连接有电流检测接口，电压检测模块上连接有电压检测接口，C-V测试单元上连接有电容检测接口，高精度DDS模块上连接有信号输出口，电流源上连接有电流输出口，电压源上连接有电压输出口，摄像头通过图像处理模块与控制系统连接；

电流检测接口、电压检测接口、电容检测接口、信号输出口、电压输出口、电流输出口分别连接有复用接口组件，复用接口组件包括复用接口一、复用接口二、复用接口三、复用接口四；本实用新型提供四个可通过上位机指令控制的复用接口，这些复用接口通过三同轴电缆分别与电流检测接口、电压检测接口、电容检测接口、信号输出口、电压输出口、电流输出口一一连接，同时具有输出和测量功能。

如图2所示：可远程交互的半导体综合参数测试设备通过无线通讯模块与学生电脑或手机客户端经由互联网进行远程连接。学生可以通过自己的手机、电脑利用校园局域网对本实用新型进行访问、控制和数据处理。图3为实验室电脑端上位机软件系统框图：首先，建立学生个人信息数据库这个数据库可与图书馆个人信息数据库共享，学生们进入登录页面，输入自己的学号和密码进入测试系统的主界面，可以选择三种和实验设备进行通信的方式，文件系统可将测试数据输出成图片，也可以直接调用打印程序，也可以调出最近一周的测试记录，视图部分可自行配置界面的背景颜色和字体，仪器操作选项卡可进行仪器的测试功能选择如进行I-V特性测试或者进行C-V特性测试，仪器参数配置可配置输出电流或者输出电压、或者输出信号频率等参数，测试显示部分可显示测得的器件响应数据，并生成图表或者表格，并可以通过摄像头实时观察实验设备的运行和器件连接状态，资源下载部分学生们可自行下载实验手册、实验报告模板、半导体物理基础知识等。图4为学生电脑端上位机软件系统框图：首先如果要访问实验室设备学生端的手机或者电脑需要连接校园网，学生端软件界面和实验室电脑端界面稍有不同的是设备选择功能，即学生们可选择实验室现有的实验设备(半导体测试实验设备)进行连接，学生客户端(电脑、手机)实时和实验室半导体测试进行数据交互。

本实用新型集成了电流检测模块、电压检测模块、C-V测试单元和高精度DDS模块，这些模块(现有技术中可以实现电流检测、电压检测、C-V测试及数字信号发生功能的模块均可以用于本实用新型，其具体结构组成及连接关系不再赘述。)可完成半导体测试中的半导体电阻率、肖特基二极管的I-V特性、肖特基二极管的势垒高度、半导体浓度、PN结势垒特性、杂质、MIS的高频C-V、二极管的直流参数、双极型晶体管直流参数、MOS场效应晶体管直流参数、双极型晶体管开关时间、双极型晶体管特征频率等参数的测试分析。本实验设备提供了四个可通过上位机指令配置输出功能的多参数复用接口，通过三同轴电缆，多参数复用接口兼具输出和测量功能，对于同一个半导体器件，不需要人为更换器件和设备的连接就可以完成半导体器件的多个电学参数测量。

对于肖特基二极管的I-V特性测试分析实验，本实用新型具有电流源、电压源、电压测试和电流检测等功能，通过统一的多参数复用接口和肖特基二极管连接，上位机输出配置参数到本实验设备控制复用接口对肖特基二极管加电压测电流或者对肖特基二极管加电流测电压，然后由上位机绘图功能做出二极管的I-V特性曲线。肖特基二极管的势垒高度及半导体浓度的测试分析实验亦是通过分析其I-V特性曲线，求出其曲线斜率ND，再由相应的计算公式可推导出掺杂浓度和理想的肖特基势垒高度。

对于二极管的直流参数测试实验：本实用新型的二极管的直流参数测试实验功能主要替代的是分离实验设备晶体管图示仪的功能，二极管的直流参数测试包括二极管的正向导通压降和反向击穿电压，对于正向导通电压测试，通过统一的多参数复用接口和肖特基二极管连接，上位机输出配置参数到本实验设备控制复用接口对二极管加正向导通电压，同时检测电流达到某一个值时便认为此时所加电压即为正向导通电压，对于反向击穿电压的测试，利用设备对二极管加反向电压，由小增大，直到检测到电流激增到某一值，此时电压便为反向击穿电压，同时利用绘图显示功能作出二极管的I-V特性曲线。

对于半导体电阻率测试实验，采用四探针法，上位机控制设备利用恒流源在两个复用接口输出电流，此电流将在另外电压检测模块的两个探针上产生压降，利用另外两个复用接口由上位机配置成电压检测功能从而检测电压，根据探针的距离(半无穷大样品)、样品厚度(极薄的样品)和测得的电压，和预先设置的电流即可得到半导体材料的电阻率。

对于C-V测试功能，本实用新型可进行三种参数的测试：肖特基二极管的势垒高度及半导体浓度的测试分析、PN结势垒特性及杂质的测试分析和MIS的高频C-V测试。C-V的测试方法为：利用电压源在复用接口产生直流偏压，利用DDS模块在复用接口产生交流小信号叠加到直流偏压上共同加在需要测试的器件两端，同时检测电容的电流，通过i/V_交＝ωC得到电容值，从而得到C-V特性曲线，根据曲线的斜率，材料的基本物理参数得到想要的电学特性等。

对于双极型晶体管直流参数测试实验：本实用新型提供了不用人为切换连接的多参数复用接口，和三极管连接的三个接口功能由上位机输出控制参数到实验设备来实现，对于三极管(NPN)共射方式输出电流特性曲线测试，将三极管插到三个复用接口，不同的三极管参考点采用不同的接口复用功能，由上位机实现，利用恒流源功能施加电流给和基极相连的复用接口给基极电流，集电极上连接的复用接口施加偏置电压到集电极，依次改变电流和偏置电压，复用接口检测集电极电流I_C即可由上位机软件绘制出多条I-V特性曲线。其他的参数如输入特性曲线、饱和管压降、转移特性曲线、反向击穿电压等则根据需求采用三极管不同的插入方式，改变相应的注入电压或者注入电流，检测输出电流，由上位机绘制出相应的变量特性曲线，即可得出想要的三极管电学参数。

对于MOS场效应晶体管直流参数测试实验：该实验同样采用本实用新型的多参数复用接口进行场效应管的连接，以MOSFET的输出特性曲线(I-V曲线)为例，漏极(D)对应集电极(C)，栅极(G)对应基极(B)，源极(S)对应发射机(E)，三个端口连接三个多参数复用接口。利用设备的电压源在栅极施加直流电压偏置V_GS给复用接口到栅极，在漏极上利用设备的电压源施加直流偏置电压V_DS给复用接口到漏极，同时检测漏源电流I_DS，依次改变栅极偏置电压V_GS和漏极偏置电压V_DS，即可通过上位机数据采集和处理绘制多条I-V曲线，即输出特性曲线。其他MOS管电学参数测试，即改变相应的复用接口的复用功能即可，不需要再次插拔管子，根据上位机生成的测试特性曲线得到想要的电学参数，如漏源击穿电压、开启电压和夹断电压等。

对于双极型晶体管开关时间测试实验：该实验同样采用本实用新型的多参数复用接口进行场效应管的连接，和基极相连的复用接口提供一定的偏置电压基础上，同时由DDS模块产生数字信号，交流信号和偏置电压配合来完成三极管的开启和截止，通过采集集电极输出电压波形完成三极管的开关时间的读取。

对于双极型晶体管特征频率测试实验：该实验设备的晶体管的特征频率测试实验功能替代的是分离仪器晶体管特征频率测试仪，该实验同样采用本实用新型的多参数复用接口进行场效应管的连接，和基极相连的复用接口通过上位机配置施加一定的偏置电流，信号发生器(DDS模块)产生点频信号电流(频率为F_β)给多功能复用接口和基极电流叠加注入晶体管的基极，提供不同的集电极偏置电压V_ce和发射极偏置电流，仪器对集电极的输出电流检测并计算此时的，再根据f_T＝β*F_β得出此时的特征频率，关于计算过程在上位机中集成好了算法，使用者直接调用相关功能即可。

作为一种优选的技术方案，本实用新型的再一实施例，控制系统为STM32单片机。

作为一种优选的技术方案，本实用新型的又一实施例，无线通讯模块为WiFi模块或Zigbee模块。

作为一种优选的技术方案，本实用新型的另一实施例，显示屏为LCD屏幕。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可远程交互的半导体综合参数测试设备，其特征在于：包括控制系统、电流检测模块、电压检测模块、C-V测试单元、高精度DDS模块、显示屏、通信接口、图像处理模块、电流源、电压源、摄像头和无线通讯模块，所述电流检测模块、所述电压检测模块、所述C-V测试单元、所述高精度DDS模块、所述电流源、所述电压源、所述显示屏、所述通信接口分别与所述控制系统电性连接，所述电流检测模块、所述电压检测模块、所述C-V测试单元、所述高精度DDS模块任意两者之间通过所述控制系统实现切换；

所述电流检测模块上连接有电流检测接口，所述电压检测模块上连接有电压检测接口，所述C-V测试单元上连接有电容检测接口，所述高精度DDS模块上连接有信号输出口，所述电流源上连接有电流输出口，所述电压源上连接有电压输出口，所述摄像头通过所述图像处理模块与所述控制系统连接；

所述电流检测接口、所述电压检测接口、所述电容检测接口、所述信号输出口、所述电压输出口、所述电流输出口分别连接有复用接口组件，所述复用接口组件包括复用接口一、复用接口二、复用接口三、复用接口四；

所述可远程交互的半导体综合参数测试设备通过所述无线通讯模块与学生电脑或手机客户端经由互联网进行远程连接。

2.根据权利要求1所述的可远程交互的半导体综合参数测试设备，其特征在于：所述控制系统为STM32单片机。

3.根据权利要求1所述的可远程交互的半导体综合参数测试设备，其特征在于：所述无线通讯模块为WiFi模块或Zigbee模块。

4.根据权利要求1所述的可远程交互的半导体综合参数测试设备，其特征在于：所述显示屏为LCD屏幕。