袁吉仁,韓道福,劉峰良,趙 詣，趙 勇，洪文欽，吳慶豐

(南昌大學(xué) 物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西 南昌 330031)

近年來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，從“復(fù)旦共識”“天大行動(dòng)”到“北京指南”等各項(xiàng)建設(shè)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(dòng)控制、人工智能、智能制造、機(jī)器人、材料工程等一系列針對新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，主要面向新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)和新科技培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型工科人才。其中，芯片作為信息通訊技術(shù)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(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的復(fù)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(xué)科交叉融合，注重創(chuàng)新能力和創(chuàng)新潛質(zhì)，特別是跨學(xué)科創(chuàng)新潛質(zhì)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(nèi)高校在育人實(shí)踐中探索了科教融合、科創(chuàng)相助；教研賽訓(xùn)相融合；多學(xué)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的自主設(shè)計(jì)與跨學(xué)科知識遷移創(chuàng)新能力培養(yǎng)，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐，設(shè)計(jì)了PN結(jié)伏安特性測量實(shí)驗(yàn)裝置，積極將該裝置應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。

1 PN結(jié)物理原理與伏安特性

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

PN結(jié)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅要講清楚其非線性產(chǎn)生的原理，還要結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，讓學(xué)生對非線性元件伏安特性有一個(gè)系統(tǒng)性的概念與認(rèn)知。

在理解PN結(jié)形成機(jī)理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合PN結(jié)宏觀電壓-電流特性分析，加強(qiáng)對其非線性伏安特性的認(rèn)知。理論上，對PN結(jié)兩端施加一定的電壓時(shí)，流經(jīng)PN結(jié)的電流隨PN結(jié)兩端電壓成指數(shù)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(jié)直流伏安特性[4-6]為

(1)

式中I為通過PN結(jié)的電流，V為加在PN結(jié)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(shù)，T為絕對溫度。

2 系統(tǒng)測量原理與裝置設(shè)計(jì)

測量其正向伏安特性，成為理解PN結(jié)特性的關(guān)鍵。而正向伏安特性測量裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵則是精準(zhǔn)地測量PN結(jié)正偏電壓和導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了PN結(jié)電流的簡易測量。基于該原理，設(shè)計(jì)了簡易的串聯(lián)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成了實(shí)驗(yàn)參量測量，并開發(fā)設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電壓采集測量，以進(jìn)一步拓展實(shí)現(xiàn)PN結(jié)電壓、電流的自動(dòng)化測量。同時(shí)，通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)字溫度傳感器完成對外部溫度數(shù)據(jù)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(jié)電流值(I=U2/R2)；通過直接測量PN結(jié)兩端電壓值，直接獲得PN結(jié)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(yùn)放芯片實(shí)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(shí)，這里需要注意的是，該串聯(lián)電路中任何一個(gè)部件電壓值的測量都會(huì)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(shù)字萬用表或者高輸入阻抗型多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片實(shí)現(xiàn)電壓采樣測量。

圖1 PN結(jié)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(jié)伏安特性測量的關(guān)鍵，為了便于測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線顯示，以及測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片(Analog to Digital Converter，ADC)，直接將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。本系統(tǒng)中，為了提升測量精度，采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片同時(shí)測量。

該模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片直接將電壓值從模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了測量結(jié)果的數(shù)字化處理與傳輸。

2.2 溫度測量原理

為了進(jìn)一步研究PN結(jié)的溫度特性，在該裝置中設(shè)計(jì)了溫度測量功能。該裝置采用單片機(jī)控制數(shù)字溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度測量。該傳感器采用雙晶振溫差頻率計(jì)數(shù)原理實(shí)現(xiàn)溫度測量，并且通過數(shù)字化編碼與CRC編碼校驗(yàn)等方式實(shí)現(xiàn)了可靠穩(wěn)定的數(shù)字化測溫與數(shù)據(jù)傳輸。該傳感器內(nèi)部有2個(gè)溫度特性不同的晶振和2個(gè)計(jì)數(shù)器，其中晶振1的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減計(jì)數(shù)器1；晶振2隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化

伏安特性測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(gòu)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(dǎo)通電壓在0.7 V左右的普通硅二極管或者是導(dǎo)通電壓在0.3 V左右的鍺二極管。實(shí)驗(yàn)過程中，如果沒有電流源，可以采用電壓源等效成一個(gè)電流源，具體實(shí)現(xiàn)方式是：在電壓源和PN結(jié)、精密電阻R2構(gòu)成的回路中串聯(lián)一個(gè)大電阻R1，電壓源和串聯(lián)大電阻R1構(gòu)成等效電流源，改變電壓源輸出電壓即可實(shí)現(xiàn)改變回路電流的調(diào)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(dòng)測量方式優(yōu)化調(diào)整為單片機(jī)控制的自動(dòng)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(shù)轉(zhuǎn)換芯片的一個(gè)輸入端口，采用單片機(jī)控制電壓值U1和U2的數(shù)字化采樣與數(shù)字化處理，并得到測量結(jié)果：PN結(jié)電壓和電流(由歐姆定律I=U/R，根據(jù)電阻R2的電壓計(jì)算可得)，測量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在LCD1602液晶屏，完成數(shù)據(jù)采集測量與顯示記錄。

以該裝置為基礎(chǔ)，采用上述方法和原理，完成PN結(jié)在不同電壓、電流條件下的伏安特性數(shù)據(jù)測量，并以U為橫坐標(biāo)，I為縱坐標(biāo)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(jié)伏安特性，還可以將PN結(jié)置于不同溫度條件下，采用數(shù)字溫度傳感器直接貼敷于PN結(jié)表面的方式，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)測量，結(jié)合PN結(jié)電壓和電流數(shù)據(jù)測量，即可完成PN結(jié)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(shè)了數(shù)字化電壓采樣測量功能，能運(yùn)用單片機(jī)準(zhǔn)確讀取電壓數(shù)值，避免使用萬用表測量過程中因?yàn)楸砉P接觸問題引起接觸電阻過大，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)誤差。并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線采樣，簡化了實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)，簡便小巧易攜，并具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)微安級電流源比較難獲得，因此實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(jì)算得到二極管電流則會(huì)有較大誤差。因而，采用串接兆歐級大電阻產(chǎn)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(jìn)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(jié)，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(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用萬用表的毫伏檔測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一直在mV量級，誤差很大。采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)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(shù)轉(zhuǎn)換器的量程，而且測量誤差也比較大。

圖2 PN結(jié)伏安特性測量實(shí)驗(yàn)電路

因此，為了提升測量精度，進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)電路，引入差分放大電路，將圖2中的精密電阻R2兩側(cè)電壓經(jīng)差分放大電路放大200倍后再進(jìn)行測量。分別記錄各組電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)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(shè)計(jì)的測量裝置電路實(shí)物圖，包括左側(cè)的單片機(jī)采樣測量系統(tǒng)和右側(cè)面包板的差分放大電路、PN結(jié)-電阻串聯(lián)電路等。

圖3 PN結(jié)伏安特性測試電路實(shí)物

3 測試結(jié)果與分析

先后采用硅、鍺二極管開展PN結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量，現(xiàn)將鍺二極管(導(dǎo)通電壓0.3 V)伏安特性測量結(jié)果與優(yōu)化設(shè)計(jì)過程總結(jié)如下。調(diào)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(shí)現(xiàn)回路電流的等間隔掃描；確定回路電流值可調(diào)范圍，根據(jù)電壓源輸出電壓掃描范圍，選擇R1的阻值；調(diào)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(jì)算得到回路實(shí)測電流值。

使用萬用表對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)手動(dòng)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?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)波動(dòng)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(shù)據(jù)時(shí)采用的是萬用表毫伏檔測量的電壓數(shù)值，而測量電壓在mV量級，有些數(shù)據(jù)點(diǎn)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(dǎo)致曲線出現(xiàn)臺階，比如電流在0.5和0.9 μA兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jìn)辦法是使用集成差分運(yùn)放將R2端電壓信號放大后再進(jìn)行測量與計(jì)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(jié)在較小的電壓范圍內(nèi)(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(shí)驗(yàn)誤差較大，再加上測量數(shù)據(jù)點(diǎn)不夠密，數(shù)據(jù)間隔較大，因而實(shí)驗(yàn)誤差很大，看似可以近似線性擬合，卻得到了錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。因而，該案例說明實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中需要充分考慮實(shí)驗(yàn)儀器的測量精度。為了得到完整的指數(shù)型PN結(jié)伏安特性曲線，進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，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(jié)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(shí)的PN結(jié)伏安特性

圖5 電阻R1為2.451 MΩ，R2為 0.996 KΩ時(shí)的PN結(jié)伏安特性

圖6 采用差分放大器測量的PN結(jié)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(jié)伏安特性曲線(采用差分放大)

圖4-7的數(shù)據(jù)結(jié)果對比給出了實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步增進(jìn)了對實(shí)驗(yàn)過程中的因儀器精度和測量方法引起的實(shí)驗(yàn)誤差的認(rèn)識，加深了對電工電子學(xué)、模擬電路等課程所學(xué)差分放大電路[7]等內(nèi)容的理解與靈活運(yùn)用。

常溫PN結(jié)伏安特性在物理參量測量中有很多重要應(yīng)用，比如微弱電流檢測、玻爾茲曼常量測量等[8,9]。低溫PN結(jié)伏安特性也是研究理解PN結(jié)溫度特性的重要手段，因而，溫度效應(yīng)測量也成了實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)中要考慮的一個(gè)重要參量。變溫PN結(jié)伏安特性測量儀器技術(shù)成熟，裝置種類各異[10,11]。我們在設(shè)計(jì)中主要考慮裝置的簡易性、兼容性，在單片機(jī)自動(dòng)化電壓測量基礎(chǔ)上，加上溫度測量功能設(shè)計(jì)。在測完常溫PN結(jié)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(jié)伏安特性曲線，分別測量了23 ℃、50 ℃和5 ℃環(huán)境下的PN結(jié)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(jié)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(jié)的伏安特性曲線向左移，PN結(jié)導(dǎo)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(jié)在5 ℃、23 ℃和50 ℃環(huán)境下的伏安特性曲線

4 結(jié) 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(xué)科交叉融合培養(yǎng)就顯得日益重要，為此我們設(shè)計(jì)開發(fā)了PN結(jié)伏安特性測量實(shí)驗(yàn)裝置。該測量裝置主要通過簡易PN結(jié)-電阻串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)PN結(jié)電壓和電流參數(shù)的測量，通過差分放大電路實(shí)現(xiàn)mV級電壓信號放大，通過萬用表或者是單片機(jī)控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)電壓采集，通過單片機(jī)控制數(shù)字溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度測量與實(shí)時(shí)在線顯示。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程不僅能夠加深學(xué)生對PN結(jié)特性的理解，而且還能夠提升學(xué)生協(xié)同運(yùn)用課程理論知識與實(shí)驗(yàn)技能的綜合學(xué)習(xí)能力，也進(jìn)一步提升了大學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力和工程實(shí)踐能力，有利于培養(yǎng)具備跨學(xué)科知識運(yùn)用與實(shí)踐創(chuàng)新能力的新工科復(fù)合創(chuàng)新人才。