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实验5PN结电容电压特性测试一、实验目的1.掌握CV-2000型电容电压特性测试仪的使用方法;2.熟悉C-V特性的测试二、实验仪器CV-2000型电容电压特性测试仪是测试频率为1MHz的智能化数字的电容测试仪器,专用于测试半导体器件PN结的势垒电容在不同偏压下的电容量,也可测试其它电容。三、实验原理PN结在反向偏压作用下耗尽层宽度如公式3-1所示,[()]⁄()其中为内建电势,为反向偏压,为施主掺杂浓度。公式说明,反向偏压时,PN结的耗尽层宽度是偏压的函数,当偏压增加时耗尽层将展宽,空间电荷的数量增加;当偏压减小时耗尽层将变窄,空间电荷的数量减少。空间电荷是不动的,空间电荷的增加实际上是随反偏压的增加,空间电荷区边界有一部分电子和空穴被抽出,从而露出更多的没有电子和空穴中和的施主离子和受主离子。空间电荷的减少则是随着反偏压的减小,有电子和空穴注入空间电荷区中和了部分施主离子和受主离子。以上分析说明,在偏压作用下,PN结具有充放电的电容作用。这种由于耗尽层内空间电荷随偏压变化所引起的电容称为PN结的耗尽层电容(depletion-layercapacitance),耗尽层电容也称为势垒电容(barriercapacitance)和过度电容。耗尽层两个半边内的空间电荷正比于耗尽层宽度。对于P+N结,有√()()耗尽层电容强烈地依赖于偏压信号的频率。小信号耗尽层电容的定义为()把3-2式代入3-3式导出[()]⁄()()()⁄对的实验曲线如图3-1所示。根据该图中直线的斜率可以计算出施主的浓度,此外直线外推至电压轴可求出内建电势。图3-1C-V法利用PN结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性,可以获得材料中杂质浓度及其分布的信息,这类测量称为C-V测量技术。3.1概述CV-2000型电容电压特性测试仪采用电流电压测量方法,它用微处理器通过8次电压测量来计算每次测量后要求的参数值。用一个相敏检波器和模数转换器顺快速完成电压测量。正交测量通过交换测量信号的相位来进行,而不是参考相位检测。因而不需要精密的模拟相位转换成电压矩形波电路。通过从同一个高频信号源形成测试信号和参考信号,来保证正确的相位关系。由微处理器根据已知的频率和测试信号相位,用ROM存储器内的程序来控制测量,以及存储在RAM中的校准数据来计算被测元件电容值。3.2整机工作原理图3-2为整机的方框图,在方框图的中间靠上处表示出了微处理器,它由数据和地址总线与包括RAM和ROM存储器在内的数字电路和外部接口连接起来。模拟电路示于该图的右下角,用晶体控制的数字分频电路来驱动正弦波发生器,产生频率为1MHz测试信号供给被测元件Zx。测试信号的相位由微处理器控制,选中精确地间隔90℃的4个相位中的一个,为测量被测件做好准备。前置放大器电路提供一个模拟信号,它交替表示两个阻抗:内部标准电阻Rs和被测件Zx。图3-2整机的方框图检测控制电路提供了采样指令,检波器是一个双斜变换器,包括一个积分器和一个比较器,它按比例地把每个模拟测量信号变换为时间周期。由这些信息微处理器计算C的值并随后显示出来。3.3电流电压转换电路图3-3示出了电流电压法的测量原理。正弦波发生器使电流Ix通过串联的被测Zx和标准电阻Rs放大倍数为K的放大器产生电压,分别是Zx和标准电阻Rs上的电压。用简单的代数式表示:Zx=Rs(e1/e2)注意上述的比值是复数。其数值和损耗值就自动由Zx和频率计算出来。图3-3电流电压法的测量原理3.4正弦信号发生器:图3-4示出了正弦信号发生器的方框图。16MHz方波发生器,经四个二分频电路产生1MHz,2MHz,4MHz,8MHz的方波脉冲,由逻辑电路产生三个脉冲信号,经8f同步后,由D触发器产生三个占空比不同的脉冲,经加权网络合成准正弦波,再经滤波放大后获得1MHz正弦波。图3-4正弦信号发生器3.5程序流程方框图从流程图3-5可看出,主程序主要是由初始化,测量采用数据,计算和处理及显示程序等组成。图3-5主程序流程图3.6前面板的控制器和指示灯标号说明K电源开关,按下为开电源,按起为关电源K1偏置电压加载按钮,刚开机时“去偏压”指示灯亮,表示CV-2000夹具上并无偏置电压,按下K1时“加偏压”指示灯亮,表示偏压已加至夹具上。再按一下K1,又可去除夹具上偏压K2测量键,刚开机时即处于测量状态。当进行开路校准及短路校准后需按下K2键,1秒后可见测量指示灯亮即可测量。K3短路校准按钮。在夹具插入短路块后按下K3,L1上显示一个5同时校准及通过指示灯亮,然后按下K5一会,直到通过指示灯重新亮,拿出短路块,则短路校准完成K4开路校准按钮,按下后L1上显示一个0,同时校准及通过指示灯亮,按下K5一会,直到通过灯亮,表示开路校准完成K5校准触发按键。K5键结合K3、K4键一齐使用请见K3K4说明L1电容值显示屏L2偏置电压显示屏L3漏电流显示屏W1偏置电压粗调是圈电位器。W1调节范围大,幅度(0-95V)作为W2向右旋尽后,就需要W1配合使用,当测试不要求精确至0.1V,单独使用W1也可。W2偏置电压微调是多圈电位器,W2调节幅度0-10V,如元件偏压不高,使用W2即可(此时W1左旋到底),如元件偏压较高,需结合W1使用(见使用说明)P测试端接口四、实验内容与步骤4.1.测量步骤:1、开机仪器安装连接好后,把电源开关按到ON位置,电源接通,仪器执行自检程序。如果没有故障,测量指示灯亮。偏置电压指示状态为(电压去),虽然偏置电压有显示,但该电压尚未加到夹具上去。2、零校准由于温度变化或改变夹具,都会引起寄生电感变化,因此,在每天开机30分钟后,改变夹具或温度变化大于3℃时,都要完成零校准。分两步完成:(1)、开路零校准。a.开机b.在测量功能检查之后,应按[开路校准]按钮。在电容显示屏内出现一个零,并且通过灯亮,让人体远离仪器。按[校准触发]键并等一会,直到通过灯重新亮,开路校准完成。(2)、短路零校准。把随机附带的短路铜片插入测试槽按[短路校准]按钮,电容显示屏内出现一个5,并且通过灯亮,按[校准触发]键等一会直到通过灯重新亮,短路零校准完成。完成后请将短路铜片拿开。3、测量在零校准后按测量健,当测量指示灯亮即进入测量状态。4、偏置电压下测量电容A.完成上面三个步骤后,把元件插入CV-2000夹具,夹具的插槽电压极性为:左边插槽为(+)极,右边插槽为(-)极。如测试三极管集电极、基极反向电压特性。如系PNP型三极管基极插入(+)插槽,集电极插入(-)插槽,如系NPN型三极管基极插入(-)插槽,集电极插入(+)插槽。如测试二极管,则二极管的“+”极插入(-)插槽,“-”极插入(+)插槽即可得出不同偏压下的电容值。B.按下[偏压加载]按钮,调节W1和W2旋钮给二极管加偏压。粗调电位器“W1”及微调电位器“W2”的使用:W2的调节范围是0-V0(V0在20V以下,不同机器有些许差别),可精确调节每0.1V。当测试元件反向耐压在V0以下,可将W1左旋至尽,单独调节W2即可。当测试元件反向耐压在100V以下,则需W1、W2配合使用,请按以下步骤进行操作:首先测量20V以下电容值:将W1左旋至尽,单独调节W2同时记录电容值,当W2右旋到头时记下电压V1。完成后再将W2左旋至尽,然后慢慢右旋W1使偏压电压值显示为V1,然后慢慢调节W2,并记录电容值,当W2右旋至尽时记下电压V2。完成后再将W2左旋至尽,然后右旋W1使偏置电压显示为V2,然后慢慢调节W2,重复步骤2即可得出100V以内的偏置电压下的电容值。6、注意事项1、加偏置电压时,请不要用手触摸电极,以防触电2、为保护下次测量的器件关机前请分别将W1、W2左旋至尽,使偏置电压显示为0V。五数据处理1、测量1N4007二极管加偏压下的电容电压(V)电容C(pF)1/C21234567891011121314152、绘制出1/C2与电压V之间的关系曲线,计算出施主浓度和内建电势。五、思考题1、什么是PN结的电容效应?它有哪些应用?
本文标题:实验5PN结的CV特性
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