實驗：PN結電容與電壓的關系

1 目標

本實驗活動的目的是測量反向偏置PN結的容值與電壓的關系。

2 背景知識

PN結電容

增加PN結上的反向偏置電壓VJ會導致連接處電荷的重新分配，形成耗盡區(qū)或耗盡層（圖1中的W）。這個耗盡層充當電容的兩個導電板之間的絕緣體。這個W層的厚度與施加的電場和摻雜濃度呈函數(shù)關系。PN結電容分為勢壘電容和擴散電容兩部分。在反向偏置條件下，不會發(fā)生自由載流子注入；因此，擴散電容等于零。對于反向和小于二極管開啟電壓（硅芯片為0.6 V）的正偏置電壓，勢壘電容是主要的電容來源。在實際應用中，根據(jù)結面積和摻雜濃度的不同，勢壘電容可以小至零點幾pF，也可以達到幾百pF。結電容與施加的偏置電壓之間的依賴關系被稱為結的電容-電壓(CV)特性。在本次實驗中，您將測量各個PN結（二極管）此特性的值，并繪制數(shù)值圖。

圖1.PN結耗盡區(qū)。

3 材料

?        ADALM2000 主動學習模塊

?        無焊面包板

?       一個10 kΩ電阻

?       一個39 pF電容

?    一個1N4001二極管

?    一個1N3064二極管

?    一個1N914二極管

?    紅色、黃色和綠色LED

?    一個2N3904 NPN晶體管

?    一個2N3906 PNP晶體管

步驟1

在無焊面包板上，按照圖2和圖3所示構建測試設置。第一步是利用在AWG輸出和示波器輸入之間連接的已知電容C1來測量未知電容Cm。兩個示波器負輸入1–和2–都接地。示波器通道1+輸入與AWG1輸出W1一起連接到面包板上的同一行。將示波器通道2+插入面包板,且保證與插入的AWG輸出間隔8到10行，將與示波器通道2+相鄰偏向AWG1的那一行接地，保證AWG1和示波器通道2之間任何不必要的雜散耦合最小。由于沒有屏蔽飛線，盡量讓W1和1+兩條連接線遠離2+連接線。

圖2.用于測量Cm的步驟1設置

4 硬件設置

使用Scopy軟件中的網(wǎng)絡分析儀工具獲取增益（衰減）與頻率（5 kHz至10 MHz）的關系圖。示波器通道1為濾波器輸入，示波器通道2為濾波器輸出。將AWG偏置設置為1 V，幅度設置為200 mV。測量一個簡單的實際電容時，偏置值并不重要，但在后續(xù)步驟中測量二極管時，偏置值將會用作反向偏置電壓。縱坐標范圍設置為+1 dB（起點）至–50 dB。運行單次掃描，然后將數(shù)據(jù)導出到.csv文件。您會發(fā)現(xiàn)存在高通特性，即在極低頻率下具有高衰減，而在這些頻率下，相比R1，電容的阻抗非常大。在頻率掃描的高頻區(qū)域，應該存在一個相對較為平坦的區(qū)域，此時，C1、Cm容性分壓器的阻抗要遠低于R1。

圖3.用于測量Cm的步驟1設置

步驟1

圖4.Scopy屏幕截圖。

我們選擇讓C1遠大于Cstray，這樣可以在計算中忽略Cstray，但是計算得出的值仍與未知的Cm相近。

在電子表格程序中打開保存的數(shù)據(jù)文件，滾動至接近高頻(>1 MHz)數(shù)據(jù)的末尾部分，其衰減電平基本是平坦的。記錄幅度值為GHF1（單位：dB）。在已知GHF1和C1的情況下，我們可以使用以下公式計算Cm。記下Cm值，在下一步測量各種二極管PN結的電容時，我們需要用到這個值。

步驟2

現(xiàn)在，我們將在各種反向偏置條件下，測量ADALM2000模擬套件中各種二極管的電容。在無焊面包板上，按照圖4和圖5所示構建測試設置。只需要使用D1(1N4001)替換C1。插入二極管，確保極性正確，這樣AWG1中的正偏置將使二極管反向偏置。

圖5.用于測量二極管電容的步驟2設置。

硬件設置

圖6.用于測量二極管電容的步驟2設置。

使用Scopy軟件中的網(wǎng)絡分析儀工具獲取表1中各AWG 1 DC偏置值時增益（衰減）與頻率（5 kHz至10 MHz）的關系圖。將每次掃描的數(shù)據(jù)導出到不同的.csv文件。

5 程序步驟

在表1剩余的部分，填入各偏置電壓值的GHF值，然后使用Cm值和步驟1中的公式來計算C_diode的值。

表1.電容與電壓數(shù)據(jù)

圖7.偏置為0 V時的Scopy屏幕截圖。

使用ADALM2000套件中的1N3064二極管替換1N4001二極管，然后重復對第一個二極管執(zhí)行的掃描步驟。將測量數(shù)據(jù)和計算得出的C_diode值填入另一個表。與1N4001二極管的值相比，1N3064的值有何不同？您應該附上您測量的各二極管的電容與反向偏置電壓圖表。

然后，使用ADALM2000套件中的一個1N914二極管，替換1N3064二極管。然后，重復您剛對其他二極管執(zhí)行的相同掃描步驟。將測量數(shù)據(jù)和計算得出的C_diode值填入另一個表。與1N4001和1N3064二極管的值相比，1N914的值有何不同？

您測量的1N914二極管的電容應該遠小于其他兩個二極管的電容。該值可能非常小，幾乎與C_stray的值相當。

6 額外加分的測量

發(fā)光二極管或LED也是PN結。它們是由硅以外的材料制成的，所以它們的導通電壓與普通二極管有很大不同。但是，它們?nèi)匀痪哂泻谋M層和電容。為了獲得額外加分，請和測量普通二極管一樣，測量ADALM2000模擬器套件中的紅色、黃色和綠色LED。在測試設置中插入LED，確保極性正確，以便實現(xiàn)反向偏置。如果操作有誤，LED有時可能會亮起。

7 問題

使用步驟1中的公式、C1的值以及圖4中的圖，計算示波器輸入電容Cm。

您可以在學子專區(qū)博客上找到問題答案。

作者簡介

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為實驗室電路?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。