半导体物理与器件实验报告 专业 班级 指导教师 姓名 实验时间 2014 年 6 月 3 日 实验地点 实验一：硅二极管的伏安特性曲线以及二极管特性参数的测定 实验预习报告 实验目的： 1、熟悉YB4810型图示仪的面板装置及其操作方法 2、掌握二极管伏安特性曲线特点 3、对二极管PN结极性、晶体材料作出判断 4、测定二极管主要特性参数和了解二极管型号命名规则。 实验仪器： YB4810型晶体管特性图示仪；硅开关二极管1N4148；硅整流二极管1N4007；硅稳压二极管0.5W7.5V；硅稳压二极管1W12V；锗PNP三极管3AX22 实验原理： 1、二极管工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电常当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流（这也就是导电的原因）。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流（这也就是不导电的原因）。 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电常当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无 关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 2、二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。 面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 3、二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 （1）正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。 （2）反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。 (1) 正向特性 （2）反向特性 伏安特性曲线 4、二极管的主要参数 用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数： （1）额定正向工作电流 是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。 （2）最高反向工作电压 加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。 （3）反向电流 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。例如2AP1型锗二极管，在25时反向电流若为250uA，温度升高到35，反向电流将上升到500uA，依此类推，在75时，它的反向电流已达8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。又如，2CP10型硅二极管，25时反向电流仅为5uA，温度升高到75时，反向电流也不过160uA。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。 实验内容： 1、检查电压，电源额定电压为~220V，工作电压范围大致为：198~242V，交流。 2、确保保险丝使用的指定型号：1A 3、启动YB4810晶体管图示仪 （1）开启电源，预热5分钟，调节仪器“辉度” 、“聚焦” 、“辅助聚焦”等旋纽使荧光屏上的线条明亮清晰 （2）调零：未测试前，应首先调整阶梯信号起始级零电位的位置。在“扫描开关”和“级/簇”调零的情况下，将VC开关置于Vbe档，阶梯开关置于V档，调节阶梯调零电位器，使在按动“阶梯极性”的过程中，屏幕上光点在X轴方向不随之跳动为止。 4、测试硅开关二极管IN4148反向漏电流和特性参数。 .将二极管测试座接入图示仪，将光点移至荧光屏的左下角作坐标零点，并做如下旋钮设置。 峰值电压范围 0-100V 极性 正（+） 功耗电阻 25 kΩ X轴 集电极电压 10V/度（实际为VCB） Y轴 集电极电流 0.2 μA/度（IC） 阶梯选择 0.05μA/度 阶梯信号：重复； 极性：－ 阶梯电流：1mA/级 （IE） 峰值电压调大至合适位置。 （1）根据显示出的图形绘制出二极管反向特性曲线，标明横纵坐标值； （2） 读出二极管特性参数—额定正向工作电流 5、测试硅整流二极管IN4007和锗整流二极管的正向特性曲线和特性参数。 .将二极管测试座接入图示仪，将光点移至荧光屏的左下角作坐标零点，并做如下旋钮设置。按图两边同时插上硅、锗二极管（用锗PNP三极管3AX22的集电结）。 峰值电压范围 0-5V 极性 正（+） 功耗电阻 2.5 Ω X轴 集电极电压 0.1V/度（实际为VCB） Y轴 集电极电流 20 mA/度（IC） 阶梯选择 1 mA/度 测试选择 双族（AB同时按下） 阶梯信号：重复； 极性：－ 阶梯电流：10mA/级 （IE） 峰值电压调大至合适位置。 图 二极管的连接图形 （1）AB交替测试 （2）根据显示出的图形绘制出二极管正向特性曲线，标明横纵坐标值； （3） 分别求出硅、锗二极管的导通电压。 6、测试硅稳压二极管0.5W7.5V和1W12V的稳压特性曲线。 .将二极管测试座接入图示仪，将光点移至荧光屏的左下角作坐标零点，并做如下旋钮设置。两边同时接上硅稳压二极管0.5W7.5V和1W12V。 图 稳压二极管的连接方法 峰值电压范围 0-20V 极性 正（+） 功耗电阻 1 kΩ X轴 集电极电压 1V/度（实际为VCB） Y轴 集电极电流 1 mA/度（IC） 阶梯选择 0.01mA/度 测试选择 双族（AB同时按下） 阶梯信号：重复； 极性：－ 阶梯电流：0.01 mA/级 （IE） 峰值电压调大至合适位置。 （1）AB交替测试； （2）根据显示出的图形绘制出二极管稳压特性曲线，标明横纵坐标值；并验证稳压值。 思考题： 1、 查找半导体二极管命名规则 半导体器件型号由五部分（场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分）组成。五个部分意义如下： 第一部分：用数字表示半导体器件有效电极数目。2-二极管、3-三极管 第二部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。表示二极管时：A-N型锗材料、B-P型锗材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。表示三极管时：A-PNP型锗材料、B-NPN型锗材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料。 第三部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的内型。P-普通管、V-微波管、W-稳压管、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光电器件、K-开关管、X-低频小功率管(F<3MHz,Pc<1W)、G-高频小功率管（f>3MHz,Pc<1W）、D-低频大功率管（f<3MHz,Pc>1W）、A-高频大功率管（f>3MHz,Pc>1W）、T-半导体晶闸管（可控整流器）、Y-体效应器件、B-雪崩管、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-半导体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。 第四部分：用数字表示序号 第五部分：用汉语拼音字母表示规格号 2、 什么叫做PN结的击穿与击穿电压，简述PN结雪崩击穿与隧道击穿的机理，并说明两者不同之处。 PN结的击穿：对pn结施加的反向偏压增大到某一数值VBR时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象称为pn结击穿。发生击穿时的反向电压称为pn结的击穿电压。 击穿电压：电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体,称为电介质击穿,所对应的电压称为击穿电压。 PN结雪崩击穿：材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。这样通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下，使获得的能量增大。在晶体中运行的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞，通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子-空穴对。新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子，又产生新的自由电子和空穴对。如此连锁反应，使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加，流过PN结的电流就急剧增大击穿PN结，这种碰撞电离导致击穿称为雪崩击穿 隧道击穿：隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的 一种击穿现象 3、肖特基二极管正偏时的电荷情况是怎样的？ 肖特基二极管正偏时，内建电势差减小，电子很容易从半导体流向金属 实验结果： 硅开关二极管IN4148反向漏电流和特性参数曲线 硅整流二极管IN4007的正向特性曲线和特性参数 教师评语： 1. 实验预习：（ 认真、 较认真、 一般、 较差、 很差 ）；占30% 2. 原始数据及实验结果：（ 准确合理、 较准确、 不合理 ）；占30% 3. 实验所要求的误差分析或作图：（ 规范、 中等、 不规范 ）；占20% 4. 报告排版整齐度：（ 很好、 较好、 中等、 较差、 很差 ）；占20% 评定等级：（ ） 教师签名： 日期：
