半導體材料特性參數自動測量研究—以二極管為例

鄧自強

（衡陽師范學院，湖南衡陽，421001）

0 引言

在信息技術的各個領域中，以半導體材料為基礎制作的各類器件，在實際生活中發揮著至關重要的作用。以其體積小、重量輕、輸入功率小、使用壽命長、功率轉換效率高等優點得到了廣泛的應用[1]。二極管在電子電路設計中發揮著重大作用，了解其各項參數對電路設計的完善起著關鍵性作用[2]。因此，對其精密測量成了一大難題。本文旨在設計一種高精度測量電路解決這一難題，基本測量思路是，通過設計一種電路可通入兩種不同的信號源供電給系統，并且監控電路中二極管兩端電壓及流入的電流進行實時監控，并繪制出其伏安特性曲線，讓使用者直觀的知悉其各項參數。本測試儀能夠實現對二極管極性的判斷、正向導通壓降以及伏安特性等參數的精確測試，該電路具有運行穩定，操作簡單，可控精度高等突出優點。

1 方案設計

1.1 理論分析

圖1為二極管參數測試儀的原理圖。恒流源分為小電流輸出和大電流輸出兩類[3-4]，該測試儀的核心是通過控制由AD620放大和起電壓跟隨作用的OPA172運算放大器組成的恒流源模塊輸出小電流，通過監測流過二極管兩端的正向導通電壓及電流，精準繪制出其正向伏安特性曲線。

圖1 二極管參數特性參數自動測量測試儀原理框圖

1.1.1 恒流源原理

（1）AD620與OPA172組成的小電流恒流源

恒流源硬件電路如圖2，由AD620、OPA172 和電阻R1等構成。

圖2 恒流源小電流輸出原理圖

AD620的5腳為參考電壓輸入端，起到“浮地”的作用，這是非常重要的，因為該引腳可以將輸出電壓在小于電源電壓2V的范圍內平移，這是構成恒流源的基礎。如果運放輸出（6腳）電壓為Vo。參考腳（5腳）電壓為Vra，上圖中運放OPA172接成電壓跟隨器的形式，起緩沖作用，電阻R1兩端電壓為Vx，則

由于運放OPA172輸入端吸收電流極小，所以流經負載的電流I為

1.1.2 繼電器控制切換電路

繼電器切換電路采用三個5V的繼電器來進行電路的切換，以便不拆接電路就可直接進行二極管的正反向伏安特性的測試，這三個繼電器使用5V 的直流電壓控制，在其中一個繼電器常閉線路上接恒流源，常開線路上接入一個100K與5.1K 的電阻并接地，公共端接一個二極管；另一個繼電器的常閉端接地，常開端接數控電壓模塊，公共端反接二極管；最后一個繼電器常閉線路接二極管正極，常開線路端接分壓電阻上，公共端接A/D采樣，如圖3所示。

圖3 繼電器模塊輸出原理圖

2 軟件設計

系統軟件基于Keil開發。程序主要包括A/D電壓采集、D/A電壓輸出和TFT屏顯示3個模塊[5]。

本設計利用stm32 作為主控芯片，由于其自身集成了A/D，本設計在測反向電壓時用到了A/D的兩個通道，所以在程序設計時，要設定合適的模式。除此之外，還需要將所測得結果利用液晶屏顯示以及利用D/A 去控制恒流源提供穩定電流，所以為了使得程序無沖突地高效運行，就必須合理地安排各個部分的結構。根據多次調試的結果，設計了一種比較合理程序結構，程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

3 數據測試

用二極管伏安特性的測定演示裝置分別測量型號為1N4742和1N4735二極管的正向和反向伏安特性，表1-4記錄了電壓電流數據，圖5、6顯示了兩類二極管伏安特性曲線。

表1 本裝置對1N4727二極管正向測試結果

表2 本裝置對1N4727二極管反向測試結果

表3 本裝置對1N4735A二極管正向測試結果

表4 本裝置對1N4735A二極管反向測試結果

圖5 1N4727伏安特性曲線

圖6 1N4735伏安特性曲線

開發和測試環境：1、軟件：Keil uVisio5。2、硬件：STM32F103ZET6開發板、2、8寸TFT屏和數控降壓模塊DKP-6008。

4 結論

二極管作為一種最基本的半導體元件，是電子電路設計中必不可少的部分。傳統的測二極管伏安特性方法有電橋法和伏安法等，這幾種方法都操作比較繁瑣、耗時。因此設計一款操作簡單、測量準確、成本低廉的測量裝置就很有必要了。本設計的主要的工作如下：

(1)分析了當前對二極管伏安特性的現狀以及設計一種簡單測量二極管裝置可行性；

(2)對比幾種測量二極管的方法選擇出了用恒流源測二極管正向特性曲線的方法；

(3)設計了電路簡單、成本低廉的硬件電路，硬件電路主要包括恒流源模塊和繼電器電路切換模塊；

(4)以stm32單片機為核心，充分利用stm32高性能、低成本、低功耗的優勢使得整個設計價格合理和性能穩定，并充分利用了軟件編程方便靈活的特點使得硬件電路簡單易調試，滿足系統設計要求；

測量儀器的智能化、自動化是未來必然的一種趨勢，本設計適應了該趨勢，具有操作簡單、測量準確和成本低廉等優點。