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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？