面向新工科的大學物理實驗教學中PN結伏安特性測量裝置設計

袁吉仁,韓道福,劉峰良,趙 詣，趙 勇，洪文欽，吳慶豐

(南昌大學 物理國家級實驗教學示范中心，江西 南昌 330031)

近年來，教育部積極推進新工科建設，從“復旦共識”“天大行動”到“北京指南”等各項建設新工科的措施和方案陸續(xù)出臺。新工科專業(yè)包括信息通訊、電子信息、自動控制、人工智能、智能制造、機器人、材料工程等一系列針對新興產業(yè)的專業(yè)，主要面向新經濟、新產業(yè)和新科技培養(yǎng)復合創(chuàng)新型工科人才。其中，芯片作為信息通訊技術的核心部件，我國在高性能芯片的自主研發(fā)和制造方面還存在諸多限制，因此亟須大力培養(yǎng)芯片設計制造領域的復合創(chuàng)新型新工科人才。

與傳統(tǒng)人才培養(yǎng)不同的是，新工科人才培養(yǎng)更加注重學科交叉融合，注重創(chuàng)新能力和創(chuàng)新潛質，特別是跨學科創(chuàng)新潛質的培養(yǎng)。針對新工科人才培養(yǎng)過程中的創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，國內高校在育人實踐中探索了科教融合、科創(chuàng)相助；教研賽訓相融合；多學科交叉融合等創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[1-3]。

在此背景下，我們聚焦大學物理實驗教學環(huán)節(jié)的自主設計與跨學科知識遷移創(chuàng)新能力培養(yǎng)，開展實驗教學改革實踐，設計了PN結伏安特性測量實驗裝置，積極將該裝置應用于大學物理實驗教學過程。

1 PN結物理原理與伏安特性

PN結是采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將p型半導體與n型半導體制作在同一塊硅片上的冶金結，在該冶金結的交界面形成了空間電荷區(qū)。PN結空間電荷區(qū)內電子、空穴同時受到濃度梯度引起的“擴散力”作用和內建電場引起的“電場力”作用，兩者達到動態(tài)平衡，從而形成了豐富的溫度和摻雜濃度調控特性。PN結特性主要受溫度和摻雜濃度影響，通過改變摻入本征半導體的雜質濃度即可控制雜質半導體的導電性能。

PN結的正偏非線性伏安(電壓-電流)特性明顯區(qū)別于電阻的線性伏安特性，因而，在實驗教學中，不僅要講清楚其非線性產生的原理，還要結合實驗測量和實驗數據分析，讓學生對非線性元件伏安特性有一個系統(tǒng)性的概念與認知。

在理解PN結形成機理基礎上，進一步結合PN結宏觀電壓-電流特性分析，加強對其非線性伏安特性的認知。理論上，對PN結兩端施加一定的電壓時，流經PN結的電流隨PN結兩端電壓成指數變化。與電阻相比它是具有非線性特性的，因此它的伏安特性曲線一般是非線性的。由定量分析可得理想PN結直流伏安特性[4-6]為

(1)

式中I為通過PN結的電流，V為加在PN結兩端的電壓，IS為反向飽和電流，q為電子電荷量，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度。

2 系統(tǒng)測量原理與裝置設計

測量其正向伏安特性，成為理解PN結特性的關鍵。而正向伏安特性測量裝置設計的關鍵則是精準地測量PN結正偏電壓和導通電流。從電路原理來講，同一串聯(lián)回路元器件的電流值相等，因而采用串聯(lián)精密電阻方式，通過測量精密電阻兩端電壓即可得到回路電流，從而實現(xiàn)了PN結電流的簡易測量。基于該原理，設計了簡易的串聯(lián)電路拓撲結構，完成了實驗參量測量，并開發(fā)設計了單片機控制的12位模數轉換芯片實現(xiàn)數字化電壓采集測量，以進一步拓展實現(xiàn)PN結電壓、電流的自動化測量。同時，通過單片機驅動數字溫度傳感器完成對外部溫度數據采集。

測量原理如圖1所示，通過測量精密電阻R2兩端的電壓值U2，間接獲得PN結電流值(I=U2/R2)；通過直接測量PN結兩端電壓值，直接獲得PN結電壓值U1；如果精密電阻R2兩端電壓值過小，影響測量，則采用差分放大器或者差分輸入型集成運放芯片實現(xiàn)微弱電壓信號的放大，以提升信噪比、降低測量誤差。同時，這里需要注意的是，該串聯(lián)電路中任何一個部件電壓值的測量都會引入誤差，為了盡量降低測量對通路電流的影響，采用高輸入阻抗型數字萬用表或者高輸入阻抗型多通道模數轉換(ADC)芯片實現(xiàn)電壓采樣測量。

圖1 PN結伏安特性測量原理示意圖

2.1 電壓采樣測量原理

電壓測量是PN結伏安特性測量的關鍵，為了便于測量數據的實時在線顯示，以及測量數據的數字化處理，采用模數轉換器芯片(Analog to Digital Converter，ADC)，直接將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘枴１鞠到y(tǒng)中，為了提升測量精度，采用12位模數轉換芯片，為了提升測量的并發(fā)度，降低圖1所示的因測量儀表分流引起的誤差，采用多通道ADC轉換芯片同時測量。

該模數轉換芯片直接將電壓值從模擬量轉換成數字量，實現(xiàn)了測量結果的數字化處理與傳輸。

2.2 溫度測量原理

為了進一步研究PN結的溫度特性，在該裝置中設計了溫度測量功能。該裝置采用單片機控制數字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫度測量。該傳感器采用雙晶振溫差頻率計數原理實現(xiàn)溫度測量，并且通過數字化編碼與CRC編碼校驗等方式實現(xiàn)了可靠穩(wěn)定的數字化測溫與數據傳輸。該傳感器內部有2個溫度特性不同的晶振和2個計數器，其中晶振1的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減計數器1；晶振2隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為減計數器2的脈沖輸入。

2.3 實驗裝置設計與優(yōu)化

伏安特性測量實驗設計基本電路如圖1所示，該裝置由電流源或者電壓源、精密電阻R2、二極管VD1構成。精密電阻采用精度為1%的金屬膜電阻，依次選用2.4 MΩ、1 MΩ、0.5 MΩ、20 KΩ、10 KΩ、1 KΩ等系列電阻；二極管采用導通電壓在0.7 V左右的普通硅二極管或者是導通電壓在0.3 V左右的鍺二極管。實驗過程中，如果沒有電流源，可以采用電壓源等效成一個電流源，具體實現(xiàn)方式是：在電壓源和PN結、精密電阻R2構成的回路中串聯(lián)一個大電阻R1，電壓源和串聯(lián)大電阻R1構成等效電流源，改變電壓源輸出電壓即可實現(xiàn)改變回路電流的調節(jié)效果。

為了提高測量的便捷性和測量效率，將萬用表手動測量方式優(yōu)化調整為單片機控制的自動測量方式。二極管VD1與精密電阻R2兩端分別接入到12位高精度模數轉換芯片的一個輸入端口，采用單片機控制電壓值U1和U2的數字化采樣與數字化處理，并得到測量結果：PN結電壓和電流(由歐姆定律I=U/R，根據電阻R2的電壓計算可得)，測量結果實時顯示在LCD1602液晶屏，完成數據采集測量與顯示記錄。

以該裝置為基礎，采用上述方法和原理，完成PN結在不同電壓、電流條件下的伏安特性數據測量，并以U為橫坐標，I為縱坐標繪制二極管I-V特性曲線。

此外，為了研究不同溫度條件下的PN結伏安特性，還可以將PN結置于不同溫度條件下，采用數字溫度傳感器直接貼敷于PN結表面的方式，實現(xiàn)溫度數據測量，結合PN結電壓和電流數據測量，即可完成PN結的伏安特性和溫度特性分析。

此測量裝置，簡易便攜，測量精度高，而且增設了數字化電壓采樣測量功能，能運用單片機準確讀取電壓數值，避免使用萬用表測量過程中因為表筆接觸問題引起接觸電阻過大，進一步降低了系統(tǒng)誤差。并且能實現(xiàn)實時在線采樣，簡化了實驗人員的測量過程，不再需要頻繁地切換萬用表表筆測量位置，提升了測量效率。使用此設計，簡便小巧易攜，并具有很強的擴展性。

實驗中發(fā)現(xiàn)微安級電流源比較難獲得，因此實際實驗操作中，采用兆歐級的大電阻R1串聯(lián)到電壓源上，通過改變電壓源的電壓大小以得到微安級電流。此外，由于兆歐級電阻的偏差相對較大，因此，如果將其作為精密參考電阻測量電壓，計算得到二極管電流則會有較大誤差。因而，采用串接兆歐級大電阻產生微安級回路電流，采用千歐級精密電阻測量電壓，求得回路電流。改進優(yōu)化后的電路如圖2所示，R1為串聯(lián)的兆歐級大電阻，VD1為PN結，R2為精密電阻，R3為接地電阻以防直接對地短路。由于電流在微安量級，經過實驗驗證，采用萬用表的毫伏檔測得的實驗數據一直在mV量級，誤差很大。采用模數轉換芯片進行電壓采樣也存在相同問題，輸入電壓一直在mV量級，不僅未充分利用模數轉換器的量程，而且測量誤差也比較大。

圖2 PN結伏安特性測量實驗電路

因此，為了提升測量精度，進一步優(yōu)化改進電路，引入差分放大電路，將圖2中的精密電阻R2兩側電壓經差分放大電路放大200倍后再進行測量。分別記錄各組電壓數據，根據電路拓撲結構計算得到二極管電流與二極管端電壓，并繪制得到其伏安特性曲線。圖3為設計的測量裝置電路實物圖，包括左側的單片機采樣測量系統(tǒng)和右側面包板的差分放大電路、PN結-電阻串聯(lián)電路等。

圖3 PN結伏安特性測試電路實物

3 測試結果與分析

先后采用硅、鍺二極管開展PN結實驗數據測量，現(xiàn)將鍺二極管(導通電壓0.3 V)伏安特性測量結果與優(yōu)化設計過程總結如下。調節(jié)電壓源輸出電壓，電壓掃描范圍在0～5 V，配合大電阻R1，模擬電流源輸出，實現(xiàn)回路電流的等間隔掃描；確定回路電流值可調范圍，根據電壓源輸出電壓掃描范圍，選擇R1的阻值；調節(jié)R2阻值，觀測不同阻值情景下R2端電壓隨源電壓掃描變化情況，計算得到回路實測電流值。

使用萬用表對實驗數據手動采集并整理分析，發(fā)現(xiàn)在R1為0.509 MΩ，R2為0.996 KΩ情況下，繪制的伏安特曲線較為平滑(圖4)。但是，在R1為2.451 MΩ，R2為0.996 KΩ條件下，伏安特性曲線的部分數據點波動較大，如圖5所示。分析其原因在于：在2.451 MΩ條件下，回路的電流值更小，收集數據時采用的是萬用表毫伏檔測量的電壓數值，而測量電壓在mV量級，有些數據點因萬用表測量精度不夠，雖然回路電流有所改變，但是R2的端電壓卻無變化，導致曲線出現(xiàn)臺階，比如電流在0.5和0.9 μA兩個數據點出現(xiàn)了臺階狀(圖5)，這是由于待測電壓信號過小，超出了萬用表毫伏檔能夠分辨的最小電壓變化值。改進辦法是使用集成差分運放將R2端電壓信號放大后再進行測量與計算，由此繪制的伏安特性曲線就更平滑，如圖6所示。圖4-圖6描繪了PN結在較小的電壓范圍內(0.05 V)伏安特性的非線性特性。其中，圖5由于R1電阻過大，回路電流過小，精密電阻端電壓在mV量級，接近萬用表的測量極限，實驗誤差較大，再加上測量數據點不夠密，數據間隔較大，因而實驗誤差很大，看似可以近似線性擬合，卻得到了錯誤的實驗結論。因而，該案例說明實驗方案設計和實驗數據分析中需要充分考慮實驗儀器的測量精度。為了得到完整的指數型PN結伏安特性曲線，進一步增加數據采樣點，增大測量范圍，采取的方案是:電壓源輸出電壓掃描范圍為0～3.5 V,掃描步長為0.1 V，得到了完整的PN結伏安特性曲線，如圖7所示。

圖4 電阻R1為0.509 MΩ，R2為 0.996 KΩ時的PN結伏安特性

圖5 電阻R1為2.451 MΩ，R2為 0.996 KΩ時的PN結伏安特性

圖6 采用差分放大器測量的PN結伏安特性 (R1=2.451 MΩ，R2=0.996 KΩ)

圖7 電阻R1=2.451 MΩ，R2=0.996 KΩ的 PN結伏安特性曲線(采用差分放大)

圖4-7的數據結果對比給出了實驗過程中如何抑制測量噪聲、降低測量誤差、提升測量精度的方法，也進一步增進了對實驗過程中的因儀器精度和測量方法引起的實驗誤差的認識，加深了對電工電子學、模擬電路等課程所學差分放大電路[7]等內容的理解與靈活運用。

常溫PN結伏安特性在物理參量測量中有很多重要應用，比如微弱電流檢測、玻爾茲曼常量測量等[8,9]。低溫PN結伏安特性也是研究理解PN結溫度特性的重要手段，因而，溫度效應測量也成了實驗裝置設計中要考慮的一個重要參量。變溫PN結伏安特性測量儀器技術成熟，裝置種類各異[10,11]。我們在設計中主要考慮裝置的簡易性、兼容性，在單片機自動化電壓測量基礎上，加上溫度測量功能設計。在測完常溫PN結伏安特性曲線后，繼續(xù)使用變溫裝置測量不同溫度條件的PN結伏安特性曲線，分別測量了23 ℃、50 ℃和5 ℃環(huán)境下的PN結伏安特性，并將變溫伏安特性曲線繪制于圖8。該曲線反映了PN結的正向伏安特性以及其隨溫度變化的趨勢，即隨著溫度的上升,PN結的伏安特性曲線向左移，PN結導通電壓下降；正向電流不變,則正向電壓隨著溫度上升而下降；正向電壓不變，則正向電流隨溫度上升而上升。

圖8 PN結在5 ℃、23 ℃和50 ℃環(huán)境下的伏安特性曲線

4 結 語

在新工科背景下，芯片研發(fā)和制造專業(yè)人才的多層次跨學科交叉融合培養(yǎng)就顯得日益重要，為此我們設計開發(fā)了PN結伏安特性測量實驗裝置。該測量裝置主要通過簡易PN結-電阻串聯(lián)結構實現(xiàn)PN結電壓和電流參數的測量，通過差分放大電路實現(xiàn)mV級電壓信號放大，通過萬用表或者是單片機控制的模數轉換芯片實現(xiàn)電壓采集，通過單片機控制數字溫度傳感器實現(xiàn)溫度測量與實時在線顯示。

整個實驗過程不僅能夠加深學生對PN結特性的理解，而且還能夠提升學生協(xié)同運用課程理論知識與實驗技能的綜合學習能力，也進一步提升了大學生的理論聯(lián)系實踐能力、創(chuàng)新思維能力和工程實踐能力，有利于培養(yǎng)具備跨學科知識運用與實踐創(chuàng)新能力的新工科復合創(chuàng)新人才。