实验5PN结的CV特性

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1、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

2、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PN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

3、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

4、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

5、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，2MH

6、z，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。

7、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L