半导体材料特性参数自动测量研究—以二极管为例

邓自强

（衡阳师范学院，湖南衡阳，421001）

0 引言

在信息技术的各个领域中，以半导体材料为基础制作的各类器件，在实际生活中发挥着至关重要的作用。以其体积小、重量轻、输入功率小、使用寿命长、功率转换效率高等优点得到了广泛的应用[1]。二极管在电子电路设计中发挥着重大作用，了解其各项参数对电路设计的完善起着关键性作用[2]。因此，对其精密测量成了一大难题。本文旨在设计一种高精度测量电路解决这一难题，基本测量思路是，通过设计一种电路可通入两种不同的信号源供电给系统，并且监控电路中二极管两端电压及流入的电流进行实时监控，并绘制出其伏安特性曲线，让使用者直观的知悉其各项参数。本测试仪能够实现对二极管极性的判断、正向导通压降以及伏安特性等参数的精确测试，该电路具有运行稳定，操作简单，可控精度高等突出优点。

1 方案设计

1.1 理论分析

图1为二极管参数测试仪的原理图。恒流源分为小电流输出和大电流输出两类[3-4]，该测试仪的核心是通过控制由AD620放大和起电压跟随作用的OPA172运算放大器组成的恒流源模块输出小电流，通过监测流过二极管两端的正向导通电压及电流，精准绘制出其正向伏安特性曲线。

图1 二极管参数特性参数自动测量测试仪原理框图

1.1.1 恒流源原理

（1）AD620与OPA172组成的小电流恒流源

恒流源硬件电路如图2，由AD620、OPA172 和电阻R1等构成。

图2 恒流源小电流输出原理图

AD620的5脚为参考电压输入端，起到“浮地”的作用，这是非常重要的，因为该引脚可以将输出电压在小于电源电压2V的范围内平移，这是构成恒流源的基础。如果运放输出（6脚）电压为Vo。参考脚（5脚）电压为Vra，上图中运放OPA172接成电压跟随器的形式，起缓冲作用，电阻R1两端电压为Vx，则

由于运放OPA172输入端吸收电流极小，所以流经负载的电流I为

1.1.2 继电器控制切换电路

继电器切换电路采用三个5V的继电器来进行电路的切换，以便不拆接电路就可直接进行二极管的正反向伏安特性的测试，这三个继电器使用5V 的直流电压控制，在其中一个继电器常闭线路上接恒流源，常开线路上接入一个100K与5.1K 的电阻并接地，公共端接一个二极管；另一个继电器的常闭端接地，常开端接数控电压模块，公共端反接二极管；最后一个继电器常闭线路接二极管正极，常开线路端接分压电阻上，公共端接A/D采样，如图3所示。

图3 继电器模块输出原理图

2 软件设计

系统软件基于Keil开发。程序主要包括A/D电压采集、D/A电压输出和TFT屏显示3个模块[5]。

本设计利用stm32 作为主控芯片，由于其自身集成了A/D，本设计在测反向电压时用到了A/D的两个通道，所以在程序设计时，要设定合适的模式。除此之外，还需要将所测得结果利用液晶屏显示以及利用D/A 去控制恒流源提供稳定电流，所以为了使得程序无冲突地高效运行，就必须合理地安排各个部分的结构。根据多次调试的结果，设计了一种比较合理程序结构，程序流程如图4所示。

图4 程序流程图

3 数据测试

用二极管伏安特性的测定演示装置分别测量型号为1N4742和1N4735二极管的正向和反向伏安特性，表1-4记录了电压电流数据，图5、6显示了两类二极管伏安特性曲线。

表1 本装置对1N4727二极管正向测试结果

表2 本装置对1N4727二极管反向测试结果

表3 本装置对1N4735A二极管正向测试结果

表4 本装置对1N4735A二极管反向测试结果

图5 1N4727伏安特性曲线

图6 1N4735伏安特性曲线

开发和测试环境：1、软件：Keil uVisio5。2、硬件：STM32F103ZET6开发板、2、8寸TFT屏和数控降压模块DKP-6008。

4 结论

二极管作为一种最基本的半导体元件，是电子电路设计中必不可少的部分。传统的测二极管伏安特性方法有电桥法和伏安法等，这几种方法都操作比较繁琐、耗时。因此设计一款操作简单、测量准确、成本低廉的测量装置就很有必要了。本设计的主要的工作如下：

(1)分析了当前对二极管伏安特性的现状以及设计一种简单测量二极管装置可行性；

(2)对比几种测量二极管的方法选择出了用恒流源测二极管正向特性曲线的方法；

(3)设计了电路简单、成本低廉的硬件电路，硬件电路主要包括恒流源模块和继电器电路切换模块；

(4)以stm32单片机为核心，充分利用stm32高性能、低成本、低功耗的优势使得整个设计价格合理和性能稳定，并充分利用了软件编程方便灵活的特点使得硬件电路简单易调试，满足系统设计要求；

测量仪器的智能化、自动化是未来必然的一种趋势，本设计适应了该趋势，具有操作简单、测量准确和成本低廉等优点。