实验5PN结的CV特性.pdf

实验实验 5 PN5 PN 结电容电压特性测试结电容电压特性测试 一、一、 实验目的实验目的 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、二、 实验仪器实验仪器 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、三、 实验原理实验原理 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-layer capacitance），耗尽层电容也称为势垒电容（barrier capacitance）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3-1 C-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、实验内容与步骤四、实验内容与步骤 4.4.1. 1. 测量步骤：测量步骤： 1 1、、开机开机 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 2、、零校准零校准 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 1））、开路零校准、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 2））、短路零校准短路零校准 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 3、、 测量测量 在零校准后按测量健，当测量指示灯亮即进入测量状态 4 4、、偏置电压下测量电容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“如测试二极管，则二极管的“+ +”极插入（”极插入（- -）插槽，“）插槽，“- -”极插”极插 入（入（+ +）插槽）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 6、、注意事项注意事项 1 1、加偏置电压时，请不要用手触摸电极，以防触电、加偏置电压时，请不要用手触摸电极，以防触电 2 2、为保护下次测量的器件关机前请分别将、为保护下次测量的器件关机前请分别将W1W1、、W2 W2 左旋至尽，使偏置电压显示左旋至尽，使偏置电压显示 为为0V0V。

五五 数据处理数据处理 1、测量1N4007二极管加偏压下的电容 电压（V） 电容C(pF) 1/C 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2、绘制出1/C 2与电压V之间的关系曲线，计算出施主浓度和内建电势 五、思考题五、思考题 1、什么是PN 结的电容效应？它有哪些应用？ 。