《半导体器件物理实验教程》课件 06 PN结的直流特性测试与分析

PN结的直流特性测试与分析V1.0.9实验准备

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IECUBE-3835是一体化半导体测试平台，平台集成多种仪器，提供数智化教辅资源和实验装置，平台外形和仪器功能如左图所示。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

平台收纳抽屉中放置了实验装置和线缆，实验装置里有器件，如左图所示。V1.0.9经典半导体实验装置运算放大器综合实验装置iecube.online数智化平台主要功能是记录实验过程中的测量数据，学生的仪器操作行为，智能化分析学生实验成绩和实验掌握程度。 说明：实验过程中需要记录数据时，都会提示在iecube.online数智化平台相对应实验页面填写并提交数据。此外，如果实验过程中不需要此功能或者没有登录账号，可忽略此步骤。1、打开IECUBE-3835仪器电源开关和内置电脑电源开关。2、内置电脑连接至Internet。设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

3、内置电脑中，使用浏览器中访问“student.iecube.online”（可点击桌面快捷方式）并使用账号和密码登录数智化平台（如：账号为“学生学号@”，密码默认为111111），登录界面如左图所示。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

4、登录成功后页面如左图所示，可以看到相应的实验课程，点击选择实验课程。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

5、选择实验课程后，页面如左图所示。如遇到分组实验，团队需要指定一名队员创建小组，其余队员加入小组即可（团队成员不能大于5人）。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

6、点击“创建小组”，弹出左图所示的对话框，输入小组名称并点击提交。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

7、创建成功后的页面如左图所示，页面红框中显示组名、成员、邀请码等信息，将邀请码告知团队其他成员，加入小组时需要填写。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

8、其余成员加入小组时，首先使用个人账号密码登录数智化平台，选择实验课程，然后点击“加入小组”，如左图所示。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

9、点击“加入小组”后，弹出加入小组的对话框，如左图所示，队员输入小组的邀请码（创建小组时已经生成）并点击提交。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

10、小组加入成功后如左图所示，红框处显示组名、成员名称、邀请码等信息。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

11、创建小组或者加入小组成功后，选择实验内容。选择方法如左图所示，点击相应的数字即可。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

12、实验数据填写。实验过程中需要将测量的数据、问题等填入相应位置，实验数据填写页面如左图所示。

实验结束后，需点击页面底部的提交按钮，保证数据的正确存储。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

1、点击桌面“IECUBE仪器软件面板”，使用个人账号密码（账号密码与数智化平台相同）登录IECUBE-3835仪器软件面板，仪器软件登录界面如左图所示。如果不需要数智化功能或者无账号，可以选择无账号进入，无账号进入不影响仪器功能的使用。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

2、使用账号登录成功后，仪器面板如左图所示。如果无账号时选择“无账号进入”，仪器面板如下图左所示，无账号不影响仪器功能的使用。

重要提示：实验结束后，务必点击左图所示的“提交”按钮，保证实验数据的正确记录。V1.0.9设备介绍>iecube.online数智化平台登录>仪器软件登陆

3、如果无账号时选择“无账号进入”，仪器面板如左图所示，无账号不影响仪器功能的使用。V1.0.9实验目录实验目的01实验原理实验设备及器材实验内容实验注意事项实验步骤思考题实验背景02030405060708V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

PN结是半导体器件与集成电路的基本结构,基本结构如左图所示。具有单向导电性。导通电压、击穿电压、势垒电容和动态电阻等电学参数都和PN结的直流特性有关。PN结基本结构示意图V1.0.9PN结直流特性（伏安特性）就是要确定流过PN结的电流与施加在PN结两端的直流偏置电压之间的关系。在PN结两端施加直流电压偏置的情况下，可以使用I-V测试仪测定流过PN结的电流。测定PN结直流特性是在PN结两端施加直流偏置电压，测定流过结中的电流。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.91、了解采用直流偏置法测定PN结电流电压特性的原理。2、通过使用I-V测试仪，掌握测定PN结导通电压、击穿电压等直流参数和I-V关系曲线的测试方法。3、巩固对理论课程相关内容的理解。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

PN结是半导体器件和集成电路的基本结构，它是由掺入受主杂质（如硼、镓）形成的P型半导体和掺入施主杂质（如磷、砷）的N型半导体构成。在PN结的结构中，P区和N区交界处两侧形成空间电荷区。PN结结构示意图如左图所示。PN结结构示意图V1.0.9在一定温度下的PN结中，杂质电离产生电子-空穴对，同时电子-空穴对又通过复合作用消失，进而达到动态平衡，在耗尽区中离化后不可动的杂质离子形成电场，称为自建电场。不施加外部偏置电压时，耗尽区两侧由载流子浓度差引起的多子扩散电流和由自建电场引起的少子漂移电流相等且处于动态平衡状态。施加外部偏置后，动态平衡状态被打破，改变了耗尽区的宽度，使多子扩散电流或少子漂移电流占据主导地位，形成PN结单向导电性。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9在PN结两侧施加正向偏置电压时，PN结两端的外界电场和自建电场方向相反互相消减，耗尽区宽度变窄，使得多子扩散加剧，少子漂移减弱，从而形成以多子扩散运动为主的正向电流。当电流显著增加并达到一定幅度时，在PN结两侧所施加的正向偏置电压称为PN结的正向导通电压，记为VTH。硅材料PN结，正向导通电压约为0.5～0.8V，锗材料PN结，正向导通电压约为0.1～0.3V。发光二极管正向导通电压约为1.6~2.0V。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9在PN结两侧施加反向偏置电压时，PN结两端的外界电场和自建电场方向相同互相加强，耗尽区宽度变宽，使得多子扩散减弱，少子漂移加剧，从而形成以少子漂移运动为主的反向电流。当电流显著增加并达到一定幅度时，在PN结两侧所施加的反向偏置电压称为PN结的反向击穿电压，记为VBR。

重掺杂PN结耐压较低，典型值为5~10V，其本质是齐纳击穿占主导地位，轻掺杂PN结耐压较高，通常以几十伏到上百伏为多见，目前一般的整流二极管击穿电压可以高达上千伏的高压，其本质是雪崩击穿占主导。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

左图绘出了PN结的直流特性和测试原理图。右侧和左侧分别为PN结正向偏置和反向偏置，图中标出了偏置电源的极性和PN结的极性，正向导通电流ITH和反向击穿电流IBR。通常选取1mA以下作为测试标准。PN结的直流特性和测试原理图V1.0.9正向导通或反向击穿时，流过PN结的电流均显著增加，而PN结上的偏置电压则不会发生明显的数值变化，变化范围小。PN结反向工作未击穿前，反向电流与反向偏置电压基本无关，此时的反向电流保持不变，就好像流过PN结的电流达到饱和了一样，称为反向饱和电流，记为IS。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9

PN结的主要参数有最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大方向工作电压VRM、反向电流IR、正向压降VD和动态电阻RD等。（1）最大整流电流IF：PN结长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与PN结结面积及外部散热条件等有关。当电流通过PN结时会使管芯发热温度上升，温度超过容许限度时(硅约为141℃，锗约为90℃)，就会使PN结过热而损坏。所以在规定散热条件下，使用中不要超过最大整流电流值。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9（2）最高反向工作电压VRM：加在PN结两端的反向电压高到一定值时，会将PN结击穿，失去单向导电能力。为保证PN结的安全使用，规定了最高反向工作电压值，一般选取反向击穿电压VBR的一半计算。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9（3）反向电流IR：PN结在规定的温度和最高反向工作电压下，流过PN结的反向电流。反向电流越小，PN结的单方向导电性能就越好。反向电流与温度密切相关，温度每升高10℃，反向电流增大一倍。通常硅材料PN结二极管比锗材料PN结二极管在高温下具有更好的稳定性。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题测试平台测试装置测试器件IECUBE-3835一体化半导体测试平台IECUBE-3835经典半导体器件实验装置3AX31A、3DG6B、1N4728A、发光二极管V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题辅屏：教辅资源智能平板仪器区域收纳抽屉主屏：内置电脑测试平台V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

左图给出了锗材料PNP晶体管3AX31A，硅材料NPN晶体管3DG6B，和发光二极管的外形和管脚排列次序图。注意：器件按照实验装置上的所标的管脚顺序插入。3AX31A3DG6B发光二极管V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

左图给出了稳压二极管1N4728A的外形和管脚排列次序图。注意：器件按照实验装置上的所标的管脚顺序插入。1N4728AV1.0.91、熟悉SMU源表以及I-V测试仪的使用方法。2、测试对象为锗材料PNP晶体管和硅材料NPN晶体管中单个PN结，如BE结、BC结，发光二极管和稳压二极管。3、在1mA的测试标准下，分别读取各PN结二极管的正向导通电压VTH、反向击穿电压VBR，计算最高反向工作电压VRM，并测量室温下的反向电流IR。4、测试各PN结二极管直流特性，绘制直流特性曲线。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.91、极性选择与管座电位相关，不能接错PN结偏置电压极性。2、测试电流首先选取较小电流量程，逐步加大量程范围。3、施加电压时应缓慢施加，避免电压过大导致流过PN结电流过大，否则容易损坏PN结二极管，缩短仪器使用寿命。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接

1、将锗材料PNP晶体管3AX31A插入PN特性测试实验装置，器件管脚必须与装置上所标管脚相对应。其中，将器件引脚E接入阳极，器件BC结短接接入阴极（即将器件引脚B和引脚C同时插入阴极），如左图所示。放置器件锗材料PNP晶体管BE结直流特性测量V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接2、用线缆将阳极输入Vin与仪器中的SMU1相连，如左图所示。连接示意图V1.0.9二、BE结正向特性和Vth测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制正向特性曲线。

5、分析实验结果。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9三、BE结反向特性和VBR，VRM，IR测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为-10V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制反向特性曲线。

5、分析实验结果。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9四、BE结直流特性测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，开始电压设置为-10V，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制直流特性曲线。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接

1、将锗材料PNP晶体管3AX31A插入PN特性测试实验装置，器件管脚必须与装置上所标管脚相对应。其中，将器件引脚C接入阳极，器件BE结短接接入阴极（即将器件引脚E和引脚B同时插入阴极），如左图所示。放置器件锗材料PNP晶体管BC结直流特性测量V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接2、用线缆将阳极输入Vin与仪器中的SMU1相连，如左图所示。连接示意图V1.0.9二、BC结正向特性和Vth测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制正向特性曲线。

5、分析实验结果。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9三、BC结反向特性和VBR，VRM，IR测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为-10V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制反向特性曲线。

5、分析实验结果。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9四、BC结直流特性测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，开始电压设置为-10V，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制直流特性曲线。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接

1、将硅材料NPN晶体管3DG6B插入PN特性测试实验装置，器件管脚必须与装置上所标管脚相对应。其中，将器件引脚E接入阴极，器件BC结短接接入阳极（即将器件引脚B和引脚C同时插入阳极），如左图所示。放置器件硅材料NPN晶体管BE结直流特性测量V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接2、用线缆将阳极输入Vin与仪器中的SMU1相连，如左图所示。连接示意图V1.0.9二、BE结正向特性和Vth测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制正向特性曲线。

5、分析实验结果。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9三、BE结反向特性和VBR，VRM，IR测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为-7V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制反向特性曲线。

5、分析实验结果。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9四、BE结直流特性测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，开始电压设置为-7V，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制直流特性曲线。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接

1、将硅材料NPN晶体管3DG6B插入PN特性测试实验装置，器件管脚必须与装置上所标管脚相对应。其中，将器件引脚C接入阴极，器件BE结短接接入阳极（即将器件引脚B和引脚E同时插入阳极），如左图所示。放置器件硅材料NPN晶体管BC结直流特性测量V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接2、用线缆将阳极输入Vin与仪器中的SMU1相连，如左图所示。连接示意图V1.0.9二、BC结正向特性和Vth测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制正向特性曲线。

5、分析实验结果。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9三、BC结反向特性和VBR，VRM，IR测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为-10V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制反向特性曲线。

5、分析实验结果。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9四、BC结直流特性测试

1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，开始电压设置为-10V，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制直流特性曲线。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接

1、将稳压二极管1N4728A插入PN特性测试实验装置，器件管脚必须与装置上所标管脚相对应，如左图所示。放置器件稳压二极管直流特性测量V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接2、用线缆将阳极输入Vin与仪器中的SMU1相连，如左图所示。连接示意图V1.0.9二、正向特性和Vth测试1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。4、设置完成后，点击扫描，绘制正向特性曲线。5、分析实验结果。

实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9三、反向特性和VBR，VRM，IR测试1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。

2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，结束电压设置为-3V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。

4、设置完成后，点击扫描，绘制反向特性曲线。

5、分析实验结果。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9四、直流特性测试1、在仪器软件面板上选择的I-V测试仪（SMU），点击进入。2、进入后点击左上角开始按钮方可设置参数。

3、扫描通道选择SMU1，开始电压设置为-4V，结束电压设置为1V（电压设置值需大于开启电压且电流不能超过200mA的最大量程）。4、设置完成后，点击扫描，绘制直流特性曲线。实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题V1.0.9实验背景>实验目的>实验原理>设备及器材>实验内容>注意事项>实验步骤>思考题

一、硬件连接