PN结直流电学特性测量.docx

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1、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：（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；n，p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；

2、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：（1-2）势垒产生电流：（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

3、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

4、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

5、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），

6、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

7、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锗管正向特性曲线图2锗管反向特性曲线硅管：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

8、，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比硅的要高出约三个数量级，所以在相同掺