PN结直流电学特性测量

实验PN结直流电学特性测量一．实验目的与意义PN结的电学特性是微电子技术的基础。通过本实验可以使学生加深对PN结正、反向电学特性的了解；比较硅，锗不同半导体材料PN结正向特性曲线的差异，并初步掌握晶体管特性图示仪的使用方法。二．实验原理由《固态电子论》的PN结理论可知，对于正向PN结（PN结的P端接电压正极，N端接负极），电压V和通过该PN结的正向电流I之间存在着如下关系：KTqvKTqvPnpnpneIeLpDLnDAqI/0/00)1)((（1-1）式中：A为PN结面积；Dn，Dp分别为电子、空穴的扩散系数；Ln，Lp分别为电子、空穴的扩散长度；n0p，p0n分别为p区及n区的平衡少数载流子浓度；q为电子电荷量；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。对于反向PN结（P端接负极，N端接正极），其反向电流I反由三部分组成。反向漏电流IS；反向扩散电流：ponpnopnLpqADLnqADI0（1-2）势垒产生电流：2icnqAI（1-3）其中：ni为测试温度下半导体PN结材料的本征载流子浓度，τ为少数载流子寿命，为PN结势垒厚度。在室温下，硅PN结以势垒产生电流为主；而锗PN结则以反向扩散电流为主。反向漏电IVTBVVI反流在实际的半导体PN结样品中，依据制作工艺情况，和半导体晶格完整性而变化。图1-1正常PN结V-I曲线当反向电压增加超过某一数值时，PN结反向电流会突然剧增而发生击穿现象。当在PN结两端分别加以正向或反向电压时，可从图示仪上分别观察到对应的特性曲线，如图2-1所示。VT是开启电压；BV是击穿电压。图1-2常见不良反向PN结特性曲线在实际生产中，由于种种原因会使PN结的反向特性变坏。这时反映在V-I曲线的形状上也会与正常的PN结V-I曲线有所不同。常见的不良PN结特性曲线见图1-2，如软击穿（a），低击穿（b），管道击穿或称分段击穿（c），以及沟道漏电（d）等。三．实验内容用晶体管特性图示仪观察、测量硅、锗二极管，并准确记录V-I曲线，比较其不同。四．实验样品与仪器晶体管特性图示仪，探针台。二极硅管、锗管数只。五．实验步骤（一）准备1.打开晶体管特性图示仪电源，待荧光屏上出现光点后调节光点辉度至适宜；调节X移位及Y移位，将光标原点调至坐标原点。2.测试选择开关打向A时，用左侧测试孔或接线柱测量；打向B时，用右侧测试孔或接线柱测量。集电极“E”接地。3．功耗限制电阻及串联电阻均用1K档。将Y轴刻度旋钮置于1mA/度，X轴刻度旋钮置为0.1伏/度。峰值电压范围，采用0-50V档。（二）测试1．pn结正向特性测量将待测二极管的两管脚插入“C”和“E”插孔（或接线柱），或者是标有IR的两插孔。缓慢旋动“峰值电压”，逐渐增大加在PN结上的电压，如果屏幕上出现PN结正向V-I曲线，则记录曲线形状，标出开启电压。若不是正向V-I曲线，可调换二极管的两管脚；或者按下极性按键来改变“C”、“E”两插孔上加载电压的极性，屏幕上将出现PN结正向V-I曲线。测量完毕将“峰值电压”旋回零点。2．PN结反向特性测量测PN结反向特性时，增大峰值电压范围，相应地将Y轴刻度旋钮置于较高的档，X轴刻度旋钮置于较低的档。将极性按键按下，此时PN结为反向偏置。缓慢旋转“峰值电压”旋钮，加载在PN结上的反向偏压不断增大，直至PN结被击穿，荧光屏上得到反向V-I特性曲线。绘出反向V-I曲线图形，记录击穿电压数值。如果反向偏置电压加至最大（如500V），PN结仍未击穿，可以使用仪器高压部分进行测量。注意高压插孔的接线极性正确，Y轴刻度旋钮、X轴刻度旋钮，及峰值电压范围均置于高压档，将“峰值电压”旋钮旋至一定位置，按住高压按钮，观察荧光屏上的I-V曲线，如果PN结反向被击穿，记录曲线图形和击穿电压，如果未被击穿，继续升高电压，直至PN结被击穿。使用仪器高压部分进行测量时，一定要注意安全，注意手、以及身体其它部分不要碰到电源！3．反向电流测量使用标有IR的两插孔测量二极管的反向电流。因PN结反向电流很小，将Y轴刻度旋钮置于较高的档，X轴刻度旋钮置于微安或更低的档，读取I反。六．数据处理I-V特性曲线绘制；记录硅、锗pn结的开启电压，击穿电压，以及反向电流。锗管开启电压0.08V，击穿电压-60V，反向电流-2uA；硅管开启电压0.3V，反向电压以及饱和电流由于电压大于500V，出于安全考虑，放弃测量。截图与近似图：锗管：图1锗管正向特性曲线02040608010012000.020.040.060.081电流（uA）电压（V）图2锗管反向特性曲线硅管：02040608010012001020304050607080电流（UA）电压（V）0001000204060801001200.10.20.30.4电流（uA）电压（V）图3硅管正向特性曲线七．讨论题1.比较你所测量的硅、锗二极管及硅片的PN结正向电学特性（没有测量，下面不进行对比说明）有何区别？试解释原因。开启电压不同，测量时锗管高于硅管，实际硅二极管的开启电压约0.5V,锗二极管为约0.1V。存在误差，而误差可能来源于测量样品，所提供的硅二极管可能有一定损坏，也可能是测量仪器的精度问题。硅管开启电压高于锗管的原因：硅二极管反向电流远小于锗二极管反向电流。这是因为在相同温度下锗的in比硅的in要高出约三个数量级，所以在相同掺杂下硅的少子浓度比锗的少子浓度低的多，故硅管的反向饱和电流Is很小；而在正向电压很小时，通过二极管的电流很小，只有正向电压达到某一数值Ur后，电流才会明显增长。通常把电压Ur称为二极管的门限电压，也称死区电压或阈值电压。由于硅管的Is远小于锗管的Is，故硅二极管的门限电压大于锗二极管的门限电压。2.分析PN结的各种不良反向特性的产生原因。软击穿（a）：软击穿主要是由于器件的使用时间过长或是长期工作在恶劣环境下老化而产生的。一般应更换。二极管击穿是指PN结不能产生压降限制电流的现象。击穿时PN结的温度上升，如果还没有破坏PN结的结构，则造成击穿的条件去除后，PN结的功能能够得到恢复或部分恢复，可称为软击穿。低击穿（b）：电压较低时PN结就被击穿，也可能由于由于器件的使用时间过长或是长期工作在恶劣环境下老化而产生，导致器件耐压特性降低，容易被击穿。管道击穿（分段击穿）（c）：半导体器件中的“管道击穿”指的是因材料缺陷所造成的热电击穿或热击穿,即二次击穿。它是PN结反向偏压下产生的一种击穿现象,它往往会烧毁PN结或使PN结性能严重损坏。沟道漏电（d）：表面“沟道漏电”,是指P型基区表面附近的氧化层中引入带正电的离子,如钠离子,由于静电感应,在P型基区表面会感生出一层负电荷,形成N型沟道,造成沟道漏电。八．实验思考与总结通过本次实验，加深了对PN结正、反向电压电流特性的理解；初步了解晶体管特性图示仪的使用方法；对PN结各种不良的反向特性有了更多认识。